Haustech 11/2017

Alles andere als auf dem Holzweg

In der experimentellen Wohneinheit «Vision Wood» am Forschungsgebäude NEST der Empa kommt Holz in den undenkbarsten Anwendungen zum Einsatz. (Foto: Empa)
Leonid Leiva /

Mit Holz und anderen pflanzlichen Fasern lassen sich immer mehr Bedürfnisse der Baubranche abdecken. Allmählich kommen Holzwerkstoffe auch in ungewöhnlichen Anwendungen zum Einsatz: Von Waschbecken über Wärmedämmplatten bis hin zur Armierung von Betonbauteilen – fast alles in unserer gebauten Umwelt könnte in Zukunft aus dem Wald extrahiert werden.

In der Schweizer Holzbaubranche herrscht gegenwärtig Aufbruchsstimmung. Immer höhere, filigranere und zum Teil spektakuläre Objekte werden geplant oder wurden bereits realisiert. Regulatorische Anpassungen, etwa im Bereich Brandschutz, dürften in naher Zukunft zu noch mehr Holzbauten bis zur Hochhausgrenze führen. Nichts kommt jedoch der futuristisch anmutenden Vision nahe, die Forschende der Eidgenössischen Materialprüfungs- und -forschungsanstalt Empa in Dübendorf verfolgen.

In der bewohnten Unit Vision Wood des Forschungsgebäudes NEST der Empa haben die Holzforscher unter der wissenschaftlichen Leitung von Tanja Zimmermann von der Empa und Ingo Burgert von der ETH Zürich eine experimentelle Wohneinheit errichtet, in der Holz in den undenkbarsten Anwendungen zum Einsatz kommt. «Wir wollen mit unserer Forschung das Anwendungsspektrum von Holz erweitern», sagt Zimmermann. «Unsere Arbeit beginnt fast immer mit einer Fragestellung aus der Grundlagenforschung. Stossen wir auf eine Idee mit Marktpotenzial, versuchen wir Industriepartner zu finden, die daran interessiert sein könnten, aus der Idee ein Produkt zu machen», erklärt die Wissenschaftlerin weiter.

Hightech-Holz aus dem Labor

Das Holz, das hier in neue Anwendungsnischen eindringt, ist oft im Labor zum Hightech-Werkstoff aufgewertet worden. Zu den neuen, bereits erschlossenen Einsatzbereichen zählt etwa das mit Calciumcarbonat mineralisierte Holz. Das Einlagern von Calciumcarbonat durch die chemische Reaktion von zwei eingebrachten Substanzen im Holzinnern lässt ein natürliches, ökologisch unbedenkliches Hybridmaterial entstehen, das weniger brennbar ist als normales Holz.

Ebenfalls mit einem umweltschonenden Verfahren ist es den Empa-Forschern gelungen, antibakterielles Holz zu kreieren. Als Keimtöter fungiert in diesem Fall Jod, das fest an das Holz gebunden wird. Die starke Bindung des Jods an die Holzoberfläche wird durch ein aus Pilzen gewonnenes Enzym ermöglicht. Ohne dessen Vermittlung würde das Holz gar nicht erst mit dem Jod reagieren, und die antimikrobielle Beschichtung würde in Kontakt mit Wasser ausgewaschen werden.

Im Vision Wood sind auf diese Weise die Türklinken antimikrobiell behandelt. Und so auch die Waschbecken: Diese bestehen aus hydrophobiertem, also wasserabweisendem Holz. Zur Hydrophobierung werden zurzeit Oberflächenbehandlungen durchgeführt, die das Anhaften der Wassertropfen erschweren. In Zukunft sollen Verfahren getestet werden, die in die Tiefe gehen und somit das gesamte Holzvolumen wasserabstossend machen. «Dazu können hydrophobe Moleküle in die Zellstruktur eingebracht werden, die sich dann direkt in der Zellwand der Holzzellen zu Polymerketten verbinden, wie jene, aus denen Kunststoffe bestehen», erläutert Zimmermann.

Als «anfänglich eher aus Experimentierlust  entwickelt»  bezeichnet Zimmermann ein magnetisierbares Holz, das nun aber auf reges Interesse vonseiten der Innendesign-Branche stösst. Im Vision Wood Lab dient das magnetische Holz lediglich als Pinnwand, aber in Zukunft könnten weitere Einsatzfelder hinzukommen, etwa auch, um den Holzarmaturen von Autos zusätzliche Funktionalitäten zu verleihen.

Mit ernsthaften Nachhaltigkeitsproblemen befasst sich hingegen die Forschung zu Buchenholz. Die Buche macht in Schweizer Wäldern 18 Prozent des Holzvolumens aus und ist damit die häufigste heimische Laubholzart. «Aber sie wird nicht in dem Ausmass verwertet, das möglich wäre», sagt Zimmermann. In der Tat wird Schweizer Buche bisher vor allem als Brennholz oder im Möbelbau verwendet. Als Konstruktionsholz für tragende Bauteile in Gebäuden kommt bisher vor allem Fichte, aber keine Buche zum Einsatz.

Der Grund dafür: das starke Quellen und Schwinden von Buche bei Aufnahme bzw. Entzug von Wasser. Buchenbauteile verziehen sich deshalb leicht und bekommen in der Folge Risse. Diese Verformungen liessen sich aber laut Zimmermann vermeiden, denn sie finden nur quer zur Faserrichtung statt. Entlang der Fasern bleibt Buche auch bei Schwankungen der Temperatur und der Luftfeuchtigkeit formstabil.

Hier greifen die Forscher also zu einem Trick, indem sie sich eine speziell gefertigte Verbundplatte der Firma Fagus Jura zunutze machen: Wenn man mehrere Schichten mit gegeneinander gedrehten Faserrichtungen verleimt, entsteht eine Platte, bei der die Formänderungen sich ausgleichen. Eine Firma in Deutschland hat bereits begonnen, ähnliche Buchenbrettsperrholzplatten erfolgreich zu vermarkten. Die Fagus Jura möchte bereits im Frühjahr 2018 die erste derartige Produktionsstätte eröffnen. Geplant wird ein anfängliches jährliches Produktionsvolumen in Höhe von 8000 Kubikmetern Konstruktionsholz, solange das vollautomatische Werk nur im Einschichtbetrieb läuft.

Später, wenn der Zweischichtbetrieb in Gang kommt, soll sich die Produktionsmenge auf 16 000 Kubikmeter verdoppeln. Die Verantwortlichen gehen davon aus, dass für ihre Ziele rund 40 000 Kubikmeter Rundholz aus Schweizer Wäldern benötigt werden. Obwohl es auch skeptische Stimmen gibt, die den Buchenholzprodukten in der Schweiz kaum Chancen zuschreiben, bleiben die Befürworter überzeugt, dass ihr Vorhaben vom Erfolg gekrönt sein wird. Vor allem die Erfahrungen aus Deutschland  stimmen die Schweizer Pioniere zuversichtlich.

Bambusfasern statt Stahl

Eine weitere aufsehenerregende Entwicklung aus der Schweizer Holzforschung stellt ein Bambuskomposit dar, das eine erstaunliche Zugfestigkeit – jener von Stahl ähnlich – aufweist. Die überlegenen mechanischen Eigenschaften dieses «Bambus-Stahls» wären mit anderen Leichtbaumaterialien kaum zu erreichen. Mit dem Bambus-Verbundwerkstoff haben die Forscher deshalb ehrgeizige Pläne:«Wir wollen testen, ob die Bambusfaserverbunde als Ersatz für Stahl zur Betonarmierung taugen könnten», verrät Zimmermann.

Aber es sind noch Fragen zu klären, denn Bambus quillt stark und sein chemisches Verhalten in Berührung mit Zement und Wasser müsse noch besser erforscht werden. «Wir sind aber bereits in Gesprächen mit grossen Firmen aus der Zementbranche, die das Material in 
dieser Hinsicht untersuchen möchten», sagt Zimmermann. Ganz auf dem Holzweg scheint die Forscherin also nicht 
zu sein.