Konstruktionsteile aus dem Gewächshaus: Nachwachsende Rohstoffe für die industrielle Fertigung

 

Worum geht es beim Projekt TEPHA?

Auf dem Tisch steht ein Laufrad für Kinder, daneben ein Sitzhocker und kleine Schälchen – ein ungewöhnlicher Hintergrund für ein Projekttreffen mit Maschinenbauern, Biologen, Architekten und Ökologen. Doch genau diese Gegenstände sind Kernstück des interdisziplinären Projekts TEPHA – TEchnical Product HArvesting. Dabei geht es jedoch weniger darum, was sie sind, sondern vielmehr woraus. „Natürlich gewachsene Halbzeuge“ lautet das Stichwort, mit dem Konstruktionstechnikerin Anna-Lena Beger die Projektidee kurz zusammenfasst. Was kompliziert klingt, bedeutet in der Praxis, dass vorgefertigte Gegenstände wie Platten oder Stangen bereits durch natürliches Wachstum in ihre endgültige Form gebracht werden, statt durch nachträgliche Verformung. Die Vorteile dieser Idee liegen auf der Hand: Weniger Prozessschritte sind sowohl ressourcen- als auch budgetschonend. Dazu kommt, dass neue oder bessere Materialeigenschaften erzielt werden können. Auch in Sachen umweltverträglicher Entsorgung würde dieser Ansatz einen großen Schritt nach vorne bedeuten.

  Laufrad und Flaschenkürbis Urheberrecht: Julia Arndt Abbildung 1: Laufrad aus Bambus (im Vordergrund zu sehen: Flaschenkürbis)

Bambuskonstruktionen – stabile Leichtgewichte

Das kleine Laufrad ist ein anschauliches Beispiel: Der Rahmen ist komplett aus dem nachwachsenden Rohstoff Bambus gefertigt. Die gebogenen Stangen werden für so ein Produkt bisher durch thermische Verformung hergestellt. Das funktioniert – geht aber auf Kosten der Stabilität. Lässt man den Bambus natürlich „um die Ecke“ wachsen, hat man, wie im Projekt untersucht wird, weniger Verluste zu verzeichnen. Dies sei besonders interessant, da Bambus von Natur aus eine ähnliche Zugfestigkeit wie Stahl besitzt, erklärt Dr. Julia Reimer vom Lehrstuhl für Botanik und molekulare Genetik. Damit seien zahlreiche Anwendungen im Bereich der Konstruktion und Architektur denkbar – vom Kinderlaufrad bis zum Baugerüst. Gezüchtet werden die Prototypen im hauseigenen Gewächshaus und den angrenzenden Freiland-Bereichen. Die angebauten Bambusgräser wachsen in eine Winkelform hinein und von da aus immer dem Licht entgegen. „Wir wollten vor allem ausprobieren, ob wir es schaffen, so einen rechten Winkel zu produzieren, da dieses die häufigste Form in der Konstruktion ist“, beschreibt Dr. Alexandra Wormit ihren Prototypen. Da dies tadellos funktioniert, sei auch eine Herstellung von stumpferen Winkeln problemlos möglich.

  Geschlängelte Figur aus Pilzmyzel Urheberrecht: Julia Arndt Abbildung 2: Komplexe Geometrie aus Pilzmyzel

Leichte Baustoffe aus Pilzmyzel

Ganz ohne zusätzliche Winkelkonstruktionen kommt dagegen der kleine Sitzhocker aus. Er wirkt wie aus einem Guss – doch bei den neuen Fertigungstechniken sollte man wohl besser sagen „aus einem Wuchs“. Das helle Material besteht aus getrocknetem Pilz-Myzel, das in eine mit Substrat gefüllte Form gewachsen ist. Nach dem Wachstumsvorgang wird das Myzel-Substrat Geflecht aus der Form gelöst und erhitzt, um es gleichzeitig zu trocknen und den Pilz zu töten. Das Myzel wächst auch in komplexe Geometrien, was zu einem potenziell großen Anwendungsspektrum führt. Die Pilze haben gute Dämmeigenschaften und könnten daher in Plattenform gewachsen beispielsweise im Wandaufbau von Gebäuden verwendet werden. Wichtig sei dabei vor allem auch die Aufklärung potentieller Kunden hinsichtlich der Produkteigenschaften, betont Dr. Thomas-Benjamin Seiler vom Lehr- und Forschungsgebiet Ökosystemanalyse. „Viele denken bei Pilzen im Haus direkt an schädlichen Schimmelpilz, dabei hat das mit dem Produkt nichts zu tun. Nach dem Erhitzen lebt da nichts mehr."

Kürbisse als ökologischer Hartschaum

Dass in der Forschung auch nicht immer alles nach Plan läuft, zeigt der dritte Teilbereich des Forschungsprojekts, der sich mit der Nutzung von Kalebassen – den Flaschenkürbissen − beschäftigte. Ursprünglich hatten die Forscher vorgehabt, die ungewöhnliche Form der Gewächse zu nutzen, doch erwies sich die Anwendung im Bereich von Gefäßen und Behältern als schwieriger als gedacht. Doch wie schon so oft in der Geschichte der Wissenschaft stolperte man währenddessen über eine neue Entdeckung. Die Materialeigenschaften der Kürbisse ähneln in vielerlei Hinsicht denen von Hartschaum. Dieser Kunststoff wird zurzeit hauptsächlich aus petrochemischen Rohstoffen gewonnen. Große kommerzielle Alternativen gibt es bisher nicht. Anlass genug für die Forscher von TEPHA, sich detaillierter mit dieser innovativen Idee auseinanderzusetzen. Mehrere Folgeprojekte sind bereits beantragt. Wer weiß, welche Ideen in Zukunft aus den Gewächshäusern der RWTH sprießen!

 

Projektbeteiligte

 
Gruppenfoto der Projektbeteiligten Urheberrecht: Julia Arndt Abbildung 3: Das TEPHA-Team: Insgesamt vier Lehrstühle und Institute der RWTH Aachen aus Biologie, Architektur und Maschinenwesen sind an dem Projekt TEPHA beteiligt.

Fakultät 1 – Biologie

Institut für Biologie I, Lehrstuhl für Botanik und molekulare Genetik

  • Prof. Dr. Björn Usadel
  • Dr. Alexandra Wormit (Nachwuchsgruppenleiterin)
  • Dr. Julia Jessica Reimer

Institut für Umweltforschung, Biologie 5

Lehr und Forschungsgebiet Ökosystemanalyse

  • Prof. Dr. Henner Hollert
  • Dr. Thomas-Benjamin Seiler (Nachwuchsgruppenleiter)
  • Christoph Kämpfer

Fakultät 2 - Architektur

Lehrstuhl für Tragkonstruktionen, Trako

  • Prof. Dr.-Ing. Martin Trautz
  • Franziska Moser

Fakultät 4 - Maschinenwesen

Lehrstuhl und Institut für Allgemeine Konstruktionstechnik des Maschinenbaus, ikt

  • Prof. Dr.-Ing. Jörg Feldhusen
  • Dr.-Ing. Manuel Löwer (Oberingenieur)
  • Anna-Lena Beger (Oberingenieurin)