Zum ersten Mal wurde ein Hydrogelmaterial aus Nanozellulose und Algen als alternatives, umweltfreundlicheres Baumaterial getestet. Die Studie der Chalmers University of Technology in Schweden und des Wallenberg Wood Science Center zeigt, wie das im Überfluss vorhandene nachhaltige Material zu einer Vielzahl von architektonischen Komponenten 3D-gedruckt werden kann und dabei viel weniger Energie verbraucht als herkömmliche Bauverfahren.
Nanocellulose ist kein neues Biomaterial, und ihre Eigenschaften als Hydrogel sind in der Biomedizin bekannt, wo sie aufgrund ihrer Biokompatibilität und ihres Feuchtigkeitsgehalts zu Gerüsten für das Gewebe- und Zellwachstum in 3D gedruckt werden kann. Es wurde aber noch nie getrocknet und als architektonisches Material verwendet. “Wir haben zum ersten Mal eine architektonische Anwendung von Nanocellulose-Hydrogel erforscht. Insbesondere haben wir das bisher fehlende Wissen über seine designbezogenen Eigenschaften geliefert und mithilfe unserer Muster und Prototypen die Abstimmbarkeit dieser Eigenschaften durch kundenspezifisches digitales Design und robotergestützten 3D-Druck demonstriert”, sagt Malgorzata Zboinska, Hauptautorin der Studie der Chalmers University of Technology.
Das Team verwendete Nanocellulosefasern und Wasser unter Zugabe eines auf Algen basierenden Materials namens Alginat. Das Alginat ermöglichte es den Forschern, ein 3D-druckbares Material herzustellen, da das Alginat dem Material beim Trocknen eine zusätzliche Flexibilität verleiht. Zellulose gilt als die am häufigsten vorkommende umweltfreundliche Alternative zu Plastik, da sie eines der Nebenprodukte der größten Industrien der Welt ist. “Die in dieser Studie verwendete Nanozellulose kann aus der Forstwirtschaft, der Landwirtschaft, aus Papierfabriken und aus Strohresten aus der Landwirtschaft gewonnen werden. In diesem Sinne handelt es sich um ein sehr reichlich vorhandenes Material”, sagt Malgorzata Zboinska.
3D-Druck und Nanocellulose: Eine ressourcenschonende Technik
Die Architekturbranche hat heute Zugang zu digitalen Technologien, die den Einsatz einer breiten Palette neuer Techniken ermöglichen, aber es gibt eine Wissenslücke darüber, wie diese Techniken angewendet werden können. Gemäß dem europäischen Green Deal müssen die Gebäude in Europa ab 2030 ressourceneffizienter sein. Dies kann durch eine verstärkte Wiederverwendung und Wiederverwertung von Materialien erreicht werden, z. B. mit Nanocellulose, einem upgecycelten Nebenprodukt der Industrie. Zeitgleich mit der Umgestaltung von Gebäuden in Richtung Kreislaufwirtschaft werden modernste digitale Techniken als wichtige Hebel zur Erreichung dieser Ziele hervorgehoben.
“Der 3D-Druck ist eine sehr ressourcenschonende Technik. Sie ermöglicht es uns, Produkte ohne andere Dinge wie Gussformen herzustellen, sodass weniger Abfall anfällt. Außerdem ist er sehr energieeffizient. Das robotergestützte 3D-Drucksystem, das wir verwenden, arbeitet nicht mit Wärme, sondern nur mit Luftdruck. Das spart eine Menge Energie, da wir nur bei Raumtemperatur arbeiten”, sagt Malgorzata Zboinska. Das energieeffiziente Verfahren beruht auf den strukturviskosen Eigenschaften des Nanocellulose-Hydrogels. Wenn man Druck ausübt, verflüssigt es sich, sodass es 3D-gedruckt werden kann, aber wenn man den Druck wegnimmt, behält es seine Form bei. Auf diese Weise können die Forscher ohne die energieintensiven Verfahren arbeiten, die in der Bauindustrie üblich sind.
Malgorzata Zboinska und ihr Team entwarfen viele verschiedene Werkzeugwege für den robotergestützten 3D-Druckprozess, um zu sehen, wie sich das Hydrogel aus Nanocellulose beim Trocknen in verschiedenen Formen und Mustern verhalten würde. Diese getrockneten Formen könnten dann als Grundlage für die Gestaltung einer breiten Palette architektonischer Einzelkomponenten dienen, z. B. für leichte Raumteiler, Jalousien und Wandpaneelsysteme. Sie könnten auch die Grundlage für Beschichtungen bestehender Gebäudekomponenten bilden, wie z. B. Fliesen zur Verkleidung von Wänden, Akustikelemente zur Schalldämpfung und kombiniert mit anderen Materialien zur Verkleidung von Skelettwänden.
Die Zukunft der umweltfreundlicheren Baustoffe
“Traditionelle Baumaterialien sind für eine Lebensdauer von Hunderten von Jahren ausgelegt. Sie haben in der Regel vorhersehbare Verhaltensweisen und homogene Eigenschaften. Wir haben Beton, Glas und alle Arten von harten Materialien, die lange halten und von denen wir wissen, wie sie im Laufe der Zeit altern werden. Im Gegensatz dazu enthalten biobasierte Materialien organische Stoffe, die von vornherein darauf ausgelegt sind, biologisch abbaubar zu sein und in die Natur zurückzukehren. Wir müssen uns daher völlig neue Kenntnisse darüber aneignen, wie wir sie in der Architektur einsetzen können und wie wir uns ihre kürzeren Lebenszyklen und heterogenen Verhaltensmuster zu eigen machen können, die eher denen in der Natur ähneln als denen in einer künstlichen und vollständig kontrollierten Umgebung. Designforscher und Architekten suchen jetzt intensiv nach Möglichkeiten, Produkte aus diesen Materialien zu entwerfen, sowohl im Hinblick auf die Funktion als auch auf die Ästhetik”, sagt Malgorzata Zboinska.
Die Studie liefert die ersten Schritte zur Demonstration des Upscaling-Potenzials von bei Raumtemperatur getrockneten, 3D-gedruckten Nanocellulose-Membrankonstrukten sowie ein neues Verständnis des Zusammenhangs zwischen der Gestaltung der Aufbringungsprozesse des Materials mittels 3D-Druck und den dimensionalen, texturalen und geometrischen Effekten in den endgültigen Konstruktionen. Dieses Wissen ist ein notwendiger Schritt, der es Malgorzata Zboinska und ihrem Team ermöglichen wird, durch weitere Forschung Anwendungen von Nanozellulose in architektonischen Produkten zu entwickeln, die spezifische funktionale und ästhetische Anforderungen der Nutzer erfüllen müssen.
“Die noch nicht vollständig bekannten Eigenschaften neuartiger biobasierter Materialien veranlassen die Architekturforscher dazu, alternative Ansätze für die Gestaltung dieser neuen Produkte zu entwickeln, und zwar nicht nur im Hinblick auf die funktionalen Eigenschaften, sondern auch auf die Akzeptanz durch die Nutzer. Die Ästhetik von biobasierten Materialien ist dabei ein wichtiger Bestandteil. Wenn wir der Gesellschaft und den Menschen diese biobasierten Materialien vorschlagen wollen, müssen wir auch mit dem Design arbeiten. Dies ist ein sehr wichtiger Faktor für die Akzeptanz dieser Materialien. Wenn die Menschen sie nicht akzeptieren, werden wir die Ziele einer Kreislaufwirtschaft und einer nachhaltigen gebauten Umwelt nicht erreichen”.
Das Forschungsprojekt
Die Forschung wird in einem Artikel vorgestellt: “Robotically 3D printed architectural membranes from ambient dried cellulose nanofibril-alginate hydrogel“, veröffentlicht in der Zeitschrift Materials and Design. Die an der Studie beteiligten Forscher:innen sind Malgorzata A. Zboinska, Sanna Sämfors und Paul Gatenholm. Die Forscher:innen waren zum Zeitpunkt der Studie an der Chalmers University of Technology und dem Wallenberg Wood Science Center, beide in Schweden, tätig.
Diese Arbeit wurde von der Adlerbertska-Forschungsstiftung und der Area of Advance Materials Science der Chalmers University of Technology unterstützt. Der Knut und Alice Wallenberg Stiftung wird für die Finanzierung des Wallenberg Wood Science Center gedankt. Die Autoren möchten auch den Beitrag von Karl Åhlund würdigen, der bei der Entwicklung des Roboter-Extrusionssystems geholfen hat.
