Baumaterial ernten und säen

Wie kann eine echte Kreislaufwirtschaft künftig gelingen? In Forschungszentren wie dem Karlsruher Institut für Technologie Arbeiten WissenschaftlerInnen daran, eine Antwort auf diese zentrale Frage für das Bauen der Zukunft zu geben. In den Blick geraten dabei neue Rohstoffe wie Pilzmyzele, die sortenreine Fügung und Recyclierbarkeit versprechen

Im September 2020 stellte Ursula von der Leyen, Präsidentin der Europäischen Kommission, in ihrer viel beachteten Rede abermals das Ziel der Etablierung einer vollständigen Kreislaufwirtschaft innerhalb der Europäischen Union (EU) vor, wie sie im Aktionsplan für eine Kreislaufwirtschaft im März des gleichen Jahres schon formuliert wurde. Explizit ging sie auf die Verantwortung des Bauwesens ein, das nach Angaben der Kommission aus dem Jahr 2019 für 50 Prozent des Primärrohstoffverbrauchs und gleichzeitig für 36 Prozent des Festmüllaufkommens innerhalb der Union verantwortlich ist. Der Grund ist in unserem gewohnten, linearen Denk- und Wirtschaftsmodell zu suchen: Rohstoffe werden aus den etablierten natürlichen Kreisläufen entnommen, daraus hergestellte Produkte und Güter werden verbraucht und anschließend entsorgt. Dieser nach wie vor dominierende lineare Ansatz hat tiefgreifende Konsequenzen für unseren Planeten. So verändern wir in gravierender Weise bestehende Ökosysteme. Sand, Kupfer, Zink oder Helium werden bald technisch, ökologisch und ökonomisch nicht mehr vertretbar aus natürlichen Quellen zu gewinnen sein. Im Gegensatz zu diesem linearen Konzept der Rohstoffzerstörung steht das von Frau von der Leyen eingeforderte Ziel, in geschlossenen, intelligent geplanten und mit Voraussicht entworfenen technischen oder biologischen Materialkreisläufen zu operieren. Hierbei kommt unserer gebauten Umwelt eine zentrale Schlüsselrolle zu.

Es müssen neue Technologien, Fügungsprinzipien, Verbindungsmittel und auch Materialien entwickelt werden, um den zukünftigen Baubestand in eine neue Generation qualitativ nachhaltiger, das heißt ökologisch abbaubar und unschädlicher, technisch sortenreiner, einfach rückbaubarer und ökonomisch attraktiver – weil endlos in Kreisläufen nutzbarer – Bauwerke zu überführen.

Urban Mining

Auf dem Weg zu einer vollständig kreislaufgerechten Bauwirtschaft kann das Urban Mining, also das Entnehmen von Baustoffen aus der exis­tierenden gebauten Umwelt, lediglich ein Zwischenschritt sein. Denn wie in einem herkömmlichen Bergwerk entstehen beim Schürfen von Rohstoffen aus der städtischen Mine Nebenprodukte minderer Qualität und Materialien, welche die oben beschriebenen Kriterien nicht erfüllen. Diese müssen temporär ausgeschleust werden – in der Hoffnung, sie in der Zukunft durch neue Entwicklungen wieder in den Stoffkreislauf zurückholen zu können. Dazu gehören eine Unzahl gängiger Baumaterialien, die als sogenannte Komposite oder Verbundmaterialien nach heutigem Technologiestand aus mehreren untrennbaren Stoffen unterschiedlicher Materialkennwerte bestehen und insofern nicht sortenrein zurückgewonnen werden können. Ebenfalls betrifft dies Materialgruppen, die durch synthetische Kleber, Schäume, Beschichtungen, Lackierungen oder andere Behandlungen verunreinigt wurden und nicht ohne starke Qualitätsverluste in den Kreislauf zurückgebracht werden können. Viele dieser aufgeführten Baustoffe werden heute deponiert oder verbrannt, was oft einer Zerstörung der Rohstoffe gleichkommt.

Kreislaufgerechtes Bauen – das Ernten

Das kreislaufgerechte Bauen versteht die gebaute Umwelt im Gegensatz dazu als einfach zu bedienendes Materiallager. Im Gegensatz zu einem Bergwerk erlaubt dieses Materiallager die verlustfreie und werterhaltende wiederholte Verwendung und Verwertung von Bauteilen und Materialien. Allerdings setzt es gleichzeitig eine entsprechende Handhabung dieser Elemente voraus, was sich vor allem in der Entwicklung und Anwendung neuer Verbindungstechnologien, im Entwurf von Rückbauanleitungen und in einem radikal neuen Rollenverständnis aller AkteurInnen der Bauwirtschaft manifestiert. Anstatt darauf abzuzielen, am Ende der Nutzungsphase den Kreislauf zu schließen und dadurch Abfall zu reduzieren, sollte eine Kreislaufwirtschaft die Entstehung von Abfall durch Innovation und Gestaltung bereits am Anfang des Lebenszyklus verhindern. Beim Entwurf von Gebäuden kommt hier also eine neue Komponente hinzu, die von Anfang an konsequent mitgedacht werden muss.

Voraussetzung des kreislaufgerechten Bauens

Sortenreine Materialien liegen in ihrer ursprünglichen Grundkonfiguration vor. Sie sind nicht gemischt, legiert, beschichtet oder anderweitig mit einem weiteren Material unterschiedlicher Werkstoffeigenschaften verbunden. Diese Materialien können einen biotischen Ursprung haben (Holz, Stroh) oder einen abiotischen (Kunststoffe, Metalle, Mineralien, Salze, Kohle, Erdöl). Die beiden Gruppen weisen unterschiedliche Verwertungskreisläufe auf, einerseits den biologischen, anderseits den technischen, wie dies im Cradle to Cradle­-Prinzip von Braungart und McDonough hinlänglich beschrieben ist. Beiden Kreisläufen liegt die Ideologie einer Wiederverwendung oder -verwertung ohne qualitative Wertverluste und ohne negative Auswirkungen auf andere Systeme oder Kreisläufe zugrunde. Eine Umstellung auf eine wirklich kreislaufbasierte Bauwirtschaft birgt daher die große Chance neue, adaptierte Konstruktionsmethoden und Fügetechniken für sortenreine Materialien und Bauteile zu entwickeln und diese zu vermarkten.

Biogene Baumaterialien – das Ernten

Doch auch wenn wir bereits heute in der Lage wären, alle unsere verbauten mineralischen und metallischen Materialien wiederzuverwenden und wiederzuverwerten, würde dies unseren Bedarf an Baustoffen nicht decken. Daher braucht es ebenfalls eine neue Klasse von Baumaterialien, die zum Wachstum das einzige offenen Energiesystem unseres Planeten nutzen: die Sonne. Wir erleben auch hier bereits eine Bewegung, die sich vor allen Dingen in den Bereichen Holzbau und biologische Dämmstoffe manifestiert. Als CO2-Senke postuliert und vermarktet, müssen wir allerdings auch hier auf die Sortenreinheit achten. Nur wenn wir es schaffen, diese biologischen Materialien nicht mit anderen, nicht-biologischen oder synthetischen Stoffen zu versetzen, macht der Einsatz auch Sinn – bis hin zur Kompostierung der Stoffe und somit zum Einstieg in einen Kreislauf als Nährstoffe für ein weitergehendes Wachstum. Auch hier ist daher ein Innovationsschub vonnöten. Neuartige Baustoffe, hergestellt aus Gräsern oder Pilzmyzelien, erfahren gerade eine große Beachtung. Hierbei wirken beispielsweise die Wurzelwerke der Pilze als biologische Kleber und könnten in naher Zukunft synthetische Varianten ersetzen, welche die Kreislauffähigkeit der Werkstoffe verunmöglichen.  Pilze spielen eine wichtige Rolle als biologisch abbauende Zersetzer organischer Substanzen. Während wir mit dem Bild der Fruchtkörper von Pilzen sehr vertraut sind, ist das Wurzelwerk, das sogenannte Myzel, normalerweise nicht sichtbar, obwohl es den größten Teil des Organismus ausmacht. Es wächst sehr großflächig, dicht und homogen, und stellt das Verdauungssystem des Pilz-Organismus dar. Mithilfe von Enzymen, die der Pilz durch seine Hyphen sendet – dies sind die einzelnen Fäden des Myzels – kann er organische Verbindungen lösen und somit wichtige Nährstoffe aufnehmen. Da der Pilz selbst keine Photosynthese betreibt, ist er angewiesen, Zuckerverbindungen aus abgestorbenem Material herauszulösen und seinem Organismus zuzuführen. In seinem natürlichen Lebensraum, dem Wald, trägt er daher maßgeblich zur Zersetzung abgestorbener organischer Stoffe bei und schafft dabei fruchtbaren Boden für weiteres Pflanzenwachstum. Eine bestimmte Eigenheit der Hyphen kann man sich zunutze machen: Treffen diese kleinen Fäden aufeinander, wachsen sie nicht unter- oder übereinander weiter, sondern verbinden sich. So, als ob man beim Weben von Stoffen an jedem Kreuzungspunkt nochmals einen Knoten ziehen würde. Es entsteht ein sehr robustes Geflecht, das durchaus in der Lage ist, Kräfte aufzunehmen und weiterzuleiten.

Aus diesem Grund ist das Pilzmyzel in den vergangenen Jahren immer mehr in den Fokus von MaterialwissenschaftlerInnen und ArchitektInnen gerückt, die hier eine Chance sehen, neuartige, biologische Baumaterialien zu züchten. Pioniere auf diesem Gebiet sind unter anderem die Firmen Ecovative und MycoWorks, beide aus den USA. Experimentiert hat die Firma Ecovative zuerst mit Verpackungsmaterial, um übliche Schäume der Chemieindustrie zu ersetzen. Das Interessante daran ist, dass man die Eigenschaften eines aus Mycelium gewachsenen Materials sehr gut bestimmen kann. Dies beginnt bei der Auswahl der Pilzarten selbst. Hier kommen nur die sogenannten „weiß verfaulenden Pilze“ in Betracht, die man auch in unseren Wäldern beobachten kann. „Schwarz verfaulende“, zu der auch einige aggressive Schimmelpilze gehören, kommen in der Herstellung dieser neuartigen Materialien nicht zur Anwendung. So arbeiten viele Firmen und ForscherInnen mit dem Myzel von Reishi-Pilzen, Baumpilzen oder Röhrlingen. In einer ersten Phase wächst das Myzel auf einer organischen Grundlage. Dies können alle biologischen Abfallstoffe sein, die schon einmal Photosynthese betrieben haben, angefangen von Holzschnitzel bis hin zu Reisschalen, Stroh, Hanf oder anderen Gräsern. Je nach Art, Größe und Eigenschaft dieser Zuschlagsstoffe und dem verwendeten Material stellen sich auch andere Eigenschaften ein: Dichte, Druckfähigkeit oder Isolationsfähigkeiten. Ist das Myzel etwa 6 bis 8 Tage durchwachsen, vermischt man es erneut und füllt es schließlich in die Form, die das endgültige Produkt haben soll. Danach lässt man das Gemisch noch einmal eine Woche durchwachsen und erhitzt es anschließend auf 60 bis 70 °C, um dem Organismus das Wasser zu entziehen und ihn damit abzutöten. Zurück bleibt eine sehr verzweigte Struktur, die unterschiedliche Merkmale haben kann. Die Firma Ecovative hat als erstes Versandverpackungen für Glasflaschen oder Elektronikteile hergestellt. 2014 hat man zudem mit dem Architekten David Benjamin (The Living) eine erste Struktur, das sogenannte HY-FI Gebäude in Brooklyn, New York errichtet. Hier kamen zum ersten Mal selbstragende Pilz-Bausteine zum Einsatz.

Die Firma MycoWorks, gegründet vom Künstler Philip Ross, hat sich seit einigen Jahren auf die Herstellung von veganen, lederartigen Myzelmaterialien spezialisiert. Große Modelabels, aber auch die Fahrzeugindustrie, sind auf das Material gestoßen und vermarkten es als „tierfreie“ Produkte für einen immer schneller wachsenden Markt. Dieses Material kann gefärbt und genäht werden wie bisherige (Kunst-)Ledermaterialien und stellt somit eine „Plug-In“ Technologie dar, bei der bestehende Strukturen der Verarbeitung beibehalten werden können.

Am Karlsruher Institut für Technologie, Fakultät für Architektur, konzentrieren wir uns auf die Erforschung von Baumaterialien aus Pilzmyzelien. Auch hier ist eine ganze Palette von Möglichkeiten gegeben. Angefangen von Isolationsmaterialien und Lehmputzträgern, wie wir sie im Projekt UMAR (Werner Sobek mit Dirk Hebel und Felix Heisel) der Eidgenössischen Materialprüfungsanstalt Empa in Dübendorf bei Zürich zur Anwendung gebracht haben, bis hin zur Herstellung von Bauteilen für selbsttragenden Strukturen, wie in dem Projekt MycoTree für die Seoul Architektur-Biennale 2017. Gemeinsam mit der Block Research Group der ETH Zürich wurde hier erstmals untersucht, wie durch intelligente Formgebung auch Baumaterialien zum Einsatz kommen können, die wir heute als zu „weich“ oder „unrobust“ bezeichnen. In diesem frühen Stadium der Myzelforschung am KIT und dem Future Cities Laboratory in Singapur, konnten die Druck- und Biegewerte der hergestellten Komponenten noch nicht mit gängigen Baumaterialien mithalten. Dennoch schaffte es die Gruppe durch die Formgebung diesen Nachteil auszugleichen und eine erste freistehende und sich selbst tragende, eingeschossige Struktur zu präsentieren, die 2019 den Preis „Beyond Bauhaus – prototyping the future“ im Wettbewerb „Land der Ideen“ der Bundesrepublik Deutschland gewann. Eine verkleinerte Version ist noch heute im Futurium Berlin zu sehen.

Ersatzbinder für sortenreines Kleben

Zudem forscht die Professur Nachhaltiges Bauen an Ersatzbindern für Holzwerkstoffplatten. In diesen wird heute noch synthetischer Kleber eingesetzt, um Holzspäne oder Plättchen zu verkleben, was wiederum die Sortenreinheit und damit Kompostierbarkeit dieser Werkstoffe verhindert. Pilzmyzel könnte auch hier eine Alternative sein. Wichtig ist hierbei die Erkenntnis für die Zukunft, eine erweiterte Palette an Baumaterialien anbieten zu können, die den Bedarf auch außerhalb der gängigen metallischen und mineralischen Materialien mit abdecken kann. Doch auch Bakterien und andere Mikroorganismen könnten in Zukunft diese biologische Welt erschließen, um neuartige Produkte und Materialien für das Baugewerbe bereitzustellen.

Wenn wir wirklich eine funktionierende Kreislaufwirtschaft im Biologischen und Technischen im Bauwesen etablieren wollen, müssen wir die Frage des Produzierens, Entwerfens und Konstruierens neu denken, erforschen und Innovationen vorantreiben. Nachhaltiges Bauen ist keine Stilfrage und auch keine Rechenaufgabe. Nachhaltiges Bauen ist eine gesellschaftliche Aufgabe, die wir in unser tägliches Tun und Handeln etablieren müssen.

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