Holzforschung: Innovative Forschung soll den Werkstoff Holz noch besser machen

26.11.2014 - Die Natur hat mit Holz ein Material entwickelt, das Höchstleistungen erbringt. Doch seine Nutzung für technische Zwecke stellt einige Herausforderungen. Forschende der ETH Zürich und der Empa wollen das Naturprodukt Holz gezielt verbessern und es so für neue Anwendungen attraktiv machen.

Mit modernsten Analysegeräten den Geheimnissen des Werkstoffs Holz auf der Spur. Beim abgebildeten Gerät handelt es sich um ein kombiniertes Rasterkraft- und Raman-Mikroskop.
© Vivian Merk, EPF Zurich

Text: Lukas Denzler

Bäume können über 100 m hoch und mehr als 6000 Jahre alt werden. Diese aussergewöhnlichen Fähigkeiten verdanken sie einer genialen Erfindung der Natur. Doch was macht Holz so erfolgreich? Dies zu verstehen, ist einer der Schlüssel für die Entwicklung neuer Produkte.

Ingo Burgert arbeitet seit drei Jahren als Professor für holzbasierte Materialien an der ETH Zürich und hat höchsten Respekt vor den Leistungen der Bäume. Sie verfügen über besondere Eigenschaften, die auch für technische Anwendungen sehr interessant sind. Doch weshalb soll ein derart erfolgreiches und vielseitiges Material wie Holz überhaupt verbessert werden? «Bei der Holzverarbeitung sind wir mit verschiedenen Problemen konfrontiert», erläutert Ingo Burgert. Der Baum habe das Holz für seine eigenen Anforderungen optimiert. Bäume nutzen das Holz so optimal, weil sie es feucht halten. «Wollen wir Holz aber technisch einsetzen, dann trocknen wir es. Und damit beginnen auch die Herausforderungen.»

Zahlreiche Herausforderungen

So verändert Holz mit wechselnder Feuchtigkeit seine Dimension. Dem Quellen und Schwinden ist der Baum nicht ausgesetzt, weil das Holz immer ausreichend feucht bleibt. Auch das Problem der Dauerhaftigkeit kennt der gesunde Baum nicht. Ist das Holz nämlich mit Wasser gesättigt, haben Pilze keine Chance. Werden Rinde und Stamm allerdings verletzt und dringt Luft ein, entsteht eine Angriffsfläche für holzzerstörende Pilze. Diese Nachteile tragen massgeblich dazu bei, dass Holz als Material oft nicht zum Einsatz kommt, obwohl es sich gerade aus ökologischer und konstruktiver Sicht durch viele Pluspunkte auszeichnet.

Die an der ETH Zürich und an der Empa in Dübendorf angesiedelten Aktivitäten der neu geschaffenen Professur für holzbasierte Materialien werden durch den Aktionsplan Holz des BAFU sowie die Wald- und Holzbranche finanziell unterstützt. «Die Forschung in diesem Bereich schafft Grundlagen für neue Anwendungen», begründet Ulrike Krafft vom BAFU das Engagement des Bundes. Gerade für das Laubholz sind neue Einsatzmöglichkeiten dringend nötig.

Die Laubholzanteile nehmen zu

Der Klimawandel und der Wunsch nach naturnahen Wäldern führen nämlich zu höheren Laubholzanteilen. Die grosse Herausforderung liegt darin, das in bedeutenden Mengen anfallende Laubholz stofflich sinnvoll zu nutzen. Dazu soll die Professur wichtige Impulse geben.

Holz besteht aus Zellulose, Hemicellulose und Lignin. Vergleichbar mit Armierungseisen erhöht Zellulose die Zugfestigkeit, während Lignin - ähnlich dem Beton - für Druckfestigkeit sorgt. Wie diese Komponenten miteinander verbunden und organisiert sind, ist für die Holzeigenschaften entscheidend. «Wenn wir die Prinzipien im Kleinen verstehen, können wir sie auch übertragen und für technische Anwendungen nutzbar machen», sagt Ingo Burgert. Damit ist auch der Kern seiner Forschungsstrategie umrissen. Mit seinem Team möchte er das Holz als Ganzes modifizieren und es auf diesem Weg mit erwünschten Eigenschaften ausstatten.

Die Brennbarkeit des Holzes lässt sich beispielsweise beeinflussen, indem spezielle Substanzen wie etwa Minerale in seine Zellwände eingebracht werden. Erste Ergebnisse zeigen positive Auswirkungen auf das Brandverhalten, zum Beispiel eine deutliche Reduktion der Hitzefreisetzung. Zwei Verfahren zur Einschleusung von Mineralen ins Holz sind Teil einer Patentanmeldung. Im Sommer 2014 startete ein von der Kommission für Technik und Innovation (KTI) des Bundes gefördertes Projekt, das untersuchen soll, wie diese in der Praxis umgesetzt werden könnten.

Rezept gegen das Quellen und Schwinden

Ein anderer Ansatz ist die sogenannte Polymerisation in der Zellwand des Holzes. Als Vorbild dient hier unter anderem das Kernholz im Stammesinneren. Bei der Kernholzbildung gelingt es dem Baum, sein eigenes Holz lange nach der Holzbildung zu modifizieren. In einem wassergesättigten Milieu lagert er vor allem wasserabweisende Substanzen in die Zellwände ein. Das ist von Interesse, wenn es darum geht, das oft problematische Quellen und Schwinden des Holzes zu reduzieren. Ursache für diese Vorgänge sind sogenannte OH-Gruppen in der Zellwand, an die Wassermoleküle (H2O) andocken können. Gelingt es, ein spezielles Molekül an die OH-Gruppen zu binden, sind diese für Wassermoleküle nicht mehr verfügbar. Gleichzeitig könnten sich diese Moleküle mit weiteren in die Zellwand eingebrachten Molekülen verbinden. Die so entstandenen Polymerketten würden schliesslich die poröse Struktur der Zellwand ausfüllen und abdichten.

Modernste Analysegeräte

Die Aufnahmen mit dem Rasterelektronenmikroskop zeigen von links nach rechts je einen Querschnitt von mineralisierter Fichte und Esche mit Kalziumkarbonat-Kristallen. Dann folgen magnetisierbare Buche mit Ferritnanopartikeln an der Innenwand eines Gefässes sowie Buchenholz, das bei Tieftemperaturen entlang der Faserrichtung gebrochen wurde.
© Vivian Merk, ETH Zürich

Gerade in diesem Bereich gebe es noch ein erhebliches Forschungspotenzial, betont Ingo Burgert. Zur Analyse der Holzmodifikation nutzen die Wissenschaftler modernste technische Hilfsmittel. Mit einem sogenannten Raman-Mikroskop lässt sich die Struktur der Zellwand abbilden und beispielsweise nachweisen, ob und wo bestimmte Substanzen eingelagert werden konnten. Und für die Untersuchung der Oberflächeneigenschaften kommt ein Rasterkraftmikroskop oder sogenanntes AFM-Gerät zum Einsatz. Damit ist es möglich, die mechanischen Eigenschaften des Materials auf der Nanoskala zu bestimmen.

Mit dem Einfluss des ultravioletten Lichtes auf Holzfassaden beschäftigt sich die Forschung hingegen schon lange. Die UV-Strahlung baut das Lignin ab und führt in der Regel zu farblichen Veränderungen. Während dies bei alten Gebäuden durchaus geschätzt wird, möchte man den Effekt bei neuen Gebäuden vermeiden, denn die breite Bevölkerung nimmt derartige Farbwechsel stark wahr. Deshalb ist Ingo Burgert überzeugt, dass Lösungen für dieses Problem entscheidend sind, um das Image von Holz bezüglich seiner Zuverlässigkeit zu verbessern. Die Schwierigkeit besteht darin, das Lignin mit einem auf die Holzoberfläche aufgetragenen Anstrich zu schützen, der gleichzeitig aber auch möglichst transparent sein sollte.

Neue Holzbautechnologien erforschen

Die Holzforscher arbeiten in der Regel mit Fichten- und Buchenholz. Erste konkrete Anwendungen sollen schon bald getestet werden. Dazu bietet das auf dem Campus Hönggerberg in Zürich im Bau befindliche ETH House of Natural Resources ideale Voraussetzungen. Für die Forschergruppe von Ingo Burgert stehen dabei Arbeiten im Vordergrund, die die Zuverlässigkeit der Holzfassade optimieren. Ein weiterer Forschungsgegenstand sind Holzelemente, die ihre Form je nach Feuchte verändern und dadurch als bewegliche Bauteile eingesetzt werden könnten - etwa für die flexible Ausrichtung von Solarpanelen nach dem aktuellen Sonnenstand.

Auch im Rahmen des breit abgestützten Projekts «NEST» sollen neue Bautechnologien erforscht werden. So entstehen auf dem Areal der Forschungsinstitution Empa in einem modularen Gebäude experimentelle Wohn- und Arbeitsräume, die Wissenschaftlerinnen und Forschende als Gästehaus nutzen. Im Unterschied zum House of Natural Resources stehen im Modul «Vision Holz - Plug & Stay» Materialinnovationen aus Holz für den Innenbereich im Vordergrund.

Eine Vision von Ingo Burgert ist ein hölzernes Waschbecken. Dafür müsste man das Holz so verändern, dass es ohne zusätzliche Beschichtung wasserabweisend ist und durch den Gebrauch nicht beschädigt wird. Ein Lavabo aus Holz könnte eindrücklich aufzeigen, dass sich dieser nachwachsende Rohstoff dereinst noch für viele andere Alltagsgegenstände einsetzen lässt.

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Letzte Änderung 26.11.2014

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