Aufbau einer zukunftssicheren Zukunft

Allein die Bauindustrie ist für mehr als 10% der weltweiten CO₂ Emissionen - fünfmal mehr als der weltweite Flugverkehr. Eine der größten Quellen für diesen schweren Kohlenstoff-Fußabdruck ist Beton und sein Hauptbestandteil, Zement. Wäre der globale Zementsektor ein eigenes Land, so wäre er der drittgrößte CO₂ Emittenten nach China und den Vereinigten Staaten. Die gute Nachricht ist, dass ein radikales Umdenken in der gebauten Umwelt bereits im Gange ist, um den Kohlenstoff-Fußabdruck drastisch zu reduzieren und vom derzeitigen Modell zu einem nachhaltigen, geschlossenen System überzugehen.

 

Die gute Nachricht

Es werden große Fortschritte bei der Entwicklung und Markteinführung eines breiten Spektrums neuer Materialien und Konzepte für die gebaute Umwelt erzielt, um sie für heute und morgen nachhaltig zu gestalten. Dazu gehört die nächste Generation von umweltfreundlichem Zement und Beton, der nicht nur die Kohlenstoffemissionen radikal reduzieren kann, sondern mit der Zeit auch das Potenzial hat, Beton zu einem kohlenstoffnegativen Material zu machen. Teams auf der ganzen Welt arbeiten außerdem an der Entwicklung spezieller alternativer Betone, die z. B. Solarenergie einfangen, speichern und als Strom oder Licht weiterleiten können, ohne dass Betriebskosten oder schädliche Emissionen anfallen.

 

Natürliche Materialien wie Holz werden als Teil der Lösung für die gebaute Umwelt ebenfalls neu überdacht. Dank der Fortschritte im Bereich der Holzwerkstoffe ist es nicht nur bautechnisch möglich, sondern auch wirtschaftlich rentabel, Hochhäuser mit Holzwerkstoffträgern anstelle von Stahl zu bauen. Holzwerkstoffe haben noch weitere Vorteile, wie z. B. die Bindung von Kohlenstoff, passive Kühlung und das allgemeine Wohlbefinden, das das natürliche Material mit sich bringt.

 

Hinzu kommen neue Entwicklungen in der Nanotechnologie, die die Einführung selbstregulierender Gebäudefassaden ermöglichen, während Durchbrüche bei den HLK-Systemen den Energieverbrauch erheblich senken können. Es gibt nicht die eine Lösung. In diesem Fall gilt: Je mehr gute Ideen wir haben, desto besser. Den Betondschungel grün machen Beton ist überall. Jedes Jahr werden weltweit mehr als 10 Milliarden Tonnen davon verbraucht, was ihn zum meistverwendeten von Menschenhand geschaffenen Material auf dem Planeten macht - nach Wasser die am zweithäufigsten verwendete Substanz auf der Erde.

 

Um die weltweit steigende Nachfrage nach Beton zu befriedigen, werden derzeit jedes Jahr mehr als 4,5 Milliarden Tonnen Zement hergestellt. Und die Zementherstellung - zumindest in der Art und Weise, wie die meisten der heute üblichen Portlandzemente hergestellt werden - ist ein energieintensiver Prozess, der enorme Mengen an CO₂.

 

Die wichtigste Emissionsquelle ist die Herstellung von Klinker, bei der Kalkstein auf Temperaturen von bis zu 1.500 Celsius erhitzt wird - etwa doppelt so heiß wie geschmolzene Lava. Während die eingesetzte Energie größtenteils aus fossilen Brennstoffen stammt, stammen bis zu 60% der Kohlenstoffemissionen aus den chemischen Reaktionen, die bei der Klinkerherstellung ablaufen.

 

Umweltfreundlicher Zement

Eine Lösung für Zement besteht darin, Klinker durch ein anderes, umweltfreundlicheres Material zu ersetzen. Forscher der Princeton University haben gezeigt, dass es möglich ist, zementähnliche Materialien aus recycelten Nebenprodukten der Industrie herzustellen, darunter Stahlschlacke, Flugasche aus Kohlekraftwerken und bestimmte Tone. Diese Technik befindet sich zwar noch in der Entwicklungsphase, könnte aber mit dem zusätzlichen Vorteil, dass sie Industrieabfälle recycelt und Kohlenstoff bindet, die CO₂ Emissionen im Vergleich zur Herstellung von herkömmlichem Portlandzement um bis zu 80%.

 

Eine weitere mögliche Lösung, die am Labor für Chemie der Baumaterialien der UCLA entwickelt wird, ist ein einzigartiges zementähnliches Material, das durch Upcycling von CO2 aus industriellen Kohlenstoffemissionen hergestellt wird, ohne dass eine weitere Verarbeitung erforderlich ist. Das Material, das das UCLA-Team als "CO₂N-CRETE" wird hergestellt, indem das abgeschiedene CO₂ aus Rauchgas und kombiniert es mit anderen Elementen, um eine chemische Reaktion auszulösen, die dann mit 3D-Druckern hergestellt wird. Das derzeitige Pilotprojekt produziert bis zu 10 Tonnen pro Tag, und in Phase zwei soll die Produktion 100 Tonnen pro Tag erreichen.

 

Im Vereinigten Königreich arbeiten Forscher an der Universität Aberdeen an einem Gerät, das sie "Carbon Capture Machine" nennen. Das Gerät fängt CO₂ und wandelt es in Materialien um, die gemahlenes Kalziumkarbonat ersetzen können - ein weiteres CO₂-intensive Zutat für die Herstellung von Beton. Die Technologie befindet sich zwar noch in einem frühen Stadium der Entwicklung, könnte aber eine wichtige Rolle bei der Beseitigung von CO₂ bei der Herstellung von Beton.

 

Ausbessern der Risse

Ein großes Problem mit modernem Beton ist, dass er nicht lange hält. Viele moderne Betonstrukturen beginnen innerhalb von 50 Jahren zu verfallen. Reparaturen sind kostspielig, und viele Bauwerke werden einfach abgerissen, ohne dass sie effektiv recycelt werden. Aber was wäre, wenn Beton sich selbst reparieren könnte?

 

Die Idee ist nicht weit hergeholt - die alten Römer entwickelten vor mehr als 2.000 Jahren selbstheilende Betonmischungen, die sich bis heute bewährt haben. Jüngste Analysen zeigen, dass die Römer ihren Beton aus einer Mischung aus Vulkanasche und -gestein, Kalk und Meerwasser herstellten. Das Verfahren, das die moderne Wissenschaft noch nicht vollständig nachbilden konnte, lässt ein seltenes hydrothermales Mineral wachsen, das den Beton im Laufe der Zeit stärkt.

 

Forscher arbeiten heute an Lösungen zur Entwicklung von selbstheilendem Zement, um den Anforderungen der modernen Welt gerecht zu werden. Ein Team der Universität Delft in den Niederlanden hat die Führung bei der Entwicklung einer Betonmischung übernommen, die mit Bakterien durchsetzt ist, die den Beton in die Lage versetzen, seine Risse und Spalten selbst zu heilen. Die Bakterien produzieren auf natürliche Weise Kalkstein, wenn sie Luft und Wasser ausgesetzt werden. Dieses neue Material macht also nicht nur kostspielige Reparaturen überflüssig, sondern stärkt die Betonstrukturen im Laufe der Zeit sogar. Das Material kann nicht nur für Neubauten, sondern auch für die Instandsetzung bestehender Bauwerke verwendet werden. Durch das Mischen der Bac-teria zu speziellen Gelen, bevor sie dem Zement zugesetzt wird, kann der Selbstheilungsprozess über Jahrhunderte andauern.

 

Siehst du das Licht?

Eine weitere aufsehenerregende Innovation in der Welt des Zements und des Betons - mit zahlreichen potenziellen Anwendungen - ist die Entwicklung von lichtemittierendem oder phosphoreszierendem Zement: Zement, der buchstäblich im Dunkeln leuchtet.

 

Forscher in Mexiko haben eine Zementmischung entwickelt, die tagsüber Sonnenlicht absorbieren und speichern kann und dann nachts 12 Stunden lang Licht (derzeit in blauen oder grünen Farbtönen) abgibt. Das Material kann zur Beleuchtung von Autobahnen, Radwegen und Gebäuden verwendet werden, wobei nur die tagsüber vom Sonnenlicht absorbierte Energie genutzt wird. Es hat eine Lebensdauer von 100 Jahren.

 

Das Team hat einen genialen Weg gefunden, die kristalline Mikrostruktur von normalem Zement (die ihn undurchsichtig macht) in ein Gel zu verwandeln, das Licht absorbieren und emittieren kann. Das Material ist außerdem umweltfreundlich, da es aus Sand, Staub oder Ton hergestellt wird und bei der Herstellung nur Dampf emittiert wird. Das Projekt hat internationale Aufmerksamkeit erregt, und mehrere Unternehmen haben mit der Produktion begonnen.

 

Harte Leistung

Eine weitere zukunftsweisende Innovation ist Zement, der Elektrizität leiten kann. Leitfähiger Zement wird bereits für Dinge wie elektrische Erdung, Blitzschutz, elektromagnetische Störungen und thermoelektrische Stromerzeugung verwendet. Jetzt arbeiten mehrere Forscherteams in der ganzen Welt an verschiedenen Möglichkeiten, die Leitfähigkeit von Beton zu verbessern, um seine Anwendungen auf eine neue Stufe zu heben.

 

Forscher der Universität Leeds im Vereinigten Königreich haben eine Zementverbindung entwickelt, die Kaliumionen zur Energieübertragung nutzt. Dadurch können Betonstrukturen als Batterien fungieren und Energie drahtlos speichern und abgeben. Das bedeutet, dass sich unsere Häuser und Büros praktisch selbst mit Strom versorgen könnten.

 

Ein weiterer Durchbruch ist eine mit Graphen versetzte Zementmischung, die nach Angaben ihres Entwicklers, des australischen Unternehmens Talga, wie das Heizelement eines Elektroofens wirkt. Die potenziellen Anwendungsmöglichkeiten dieses "energetisierten" Betons sind immens: von beheizten Fußböden bis hin zu beheizten Straßen und Gehwegen, die eine sichere und umweltfreundliche Möglichkeit zur Eisbeseitigung im Winter bieten würden.

 

Die vielleicht aufregendste Möglichkeit ist, dass leitfähiger Zement es ermöglichen könnte, Elektrofahrzeuge drahtlos aufzuladen - entweder während der Fahrt oder wenn sie geparkt sind - indem die Sonnenenergie genutzt wird, die von der Betonoberfläche der Autobahn oder des Parkplatzes absorbiert wird.

 

Dies ist die Art von bahnbrechender Technologie, die es in nicht allzu ferner Zukunft ermöglichen würde, dass Elektrofahrzeuge die mit fossilen Brennstoffen betriebenen Pkw und Lkw ersetzen und damit eine große Quelle von CO₂ Emissionen.

 

Ferrock als Retter in der Not?

Ferrock - ein revolutionäres, rostfarbenes, betonähnliches Material, das vor einigen Jahren zufällig von einem Umweltchemiker in den Vereinigten Staaten entwickelt wurde - ist eine einfache, aber erstaunliche Substanz. Ferrock wird hauptsächlich aus Eisenstaub und Siliziumdioxid (zerkleinertes Glas) hergestellt, die beide beim Recycling leicht erhältlich sind, und absorbiert tatsächlich CO₂ während seines Herstellungsprozesses, was es zu einem kohlenstoffnegativen Baumaterial macht.

 

Es wird noch erforscht, wie das Material seine Wirkung entfaltet, aber im Wesentlichen ist CO₂ reagiert mit Rost zu Eisencarbonat und bindet das Treibhausgas aus der Atmosphäre. Außerdem wird Ferrock ohne hohe Temperaturen hergestellt und verfestigt sich auch, wenn es Meerwasser ausgesetzt wird. Ferrock ist fünfmal stärker als Portlandzement und viel flexibler, so dass es besser als herkömmlicher Beton geeignet ist, seismischen Aktivitäten und industriellen Prozessen zu widerstehen. Das Produkt befindet sich noch in der Entwicklung, soll aber bald kommerziell hergestellt werden.

 

Von der Erde zum Mars und wieder zurück

Ein Team von Architekten und Designern in den USA, das an der Entwicklung eines Prototyps eines Lebensraums für menschliches Leben auf dem Mars arbeitet, hat möglicherweise die ultimative nachhaltige Baumethode für die Zukunft auf der Erde entwickelt.

 

Die Designfirma AI SpaceFactory erhielt von der NASA eine halbe Million Dollar für ihren Mars-Habitat-Prototyp MARSHA. Das weltraumtaugliche Design verwendet ein maßgeschneidertes Baumaterial namens Biopolymer-Basalt-Verbundwerkstoff, das aus Pflanzen wie Mais und Zuckerrohr gewonnen und mit Hilfe der 3D-Drucktechnologie hergestellt wird. Die NASA hat dem Material bescheinigt, dass es 50% stärker und haltbarer ist als Beton.

 

Inspiriert von MARSHA richtete das Team seine Aufmerksamkeit auf die Erde und entwickelte TERA, eine erdgebundene Version von MARSHA, die dieselben pflanzlichen Polymere verwendet. TERA ist ein Proof-of-Concept für die Bauwerke der Zukunft. Das Baumaterial ist 100% recycelbar und kompostierbar und gleichzeitig stärker und haltbarer als herkömmlicher Beton.

 

Holz ist der neue Beton

Ein weiteres traditionelles Baumaterial, das für das 21. Jahrhundert neu überdacht wird, ist Holz, das aus den richtigen Gründen ein Comeback als Baumaterial erlebt. Bei ordnungsgemäßer Waldbewirtschaftung ist Holz ein nachhaltiges Baumaterial, das CO₂ aus der Atmosphäre.

 

Die große Veränderung in der Welt des Holzes ist die fortschreitende Entwicklung von Holzwerkstoffen - einem Superholz, das stärker, leichter und feuerfester als Stahl ist. Einige Architekten bezeichnen es inzwischen als den Beton der Zukunft.

 

Eines der wichtigsten dieser Produkte ist Brettsperrholz (CLT). CLT wurde erstmals in den 1990er Jahren in Österreich entwickelt und ist im Grunde ein Supersperrholz, das aus Brettern verschiedener Hölzer besteht, die rechtwinklig miteinander verbunden werden. CLT-Konstruktionen können auf der Baustelle mit einem hohen Maß an Präzision vorgefertigt werden, so dass sie von einer relativ kleinen Mannschaft fast wie Legosteine zusammengesetzt werden können.

Die schnelle und einfache Konstruktion spart sowohl Zeit als auch Geld.

Obwohl nicht gerade neu, hat sich die Verwendung von Holzwerkstoffen im Bauwesen in den letzten Jahren beschleunigt. Im Jahr 2003 lag der weltweite Verbrauch von CLT bei nur 2.000 Kubikmetern. Im Jahr 2018 wurden über eine Million Tonnen verwendet.

 

Schlösser aus CLT

Derzeit wird CLT vor allem für den Bau von niedrigen und mittelhohen Wohn- und Industriegebäuden, einschließlich Büros und Lagerhallen, verwendet. Aber da die Verwendung von Holzwerkstoffen weiter zunimmt und die Bauvorschriften überarbeitet werden, um höhere Holzkonstruktionen zu ermöglichen, werden wir mehr von etwas sehen, von dem wir bisher nicht viel gesehen haben: Wolkenkratzer aus Holz.

 

Der neueste Anwärter auf den Titel des höchsten Holzbaus der Welt ist der kürzlich angekündigte Canada Earth Tower in Vancouver. Zu den Plänen für das 40-stöckige Gebäude gehören 200 Wohnungen und vertikale Gärten im Freien. In Kanada - mit seinem großen Angebot an nachhaltigem Holz - sind derzeit über 500 mittelhohe Holzbauprojekte im Bau.

 

Japan ist ein weiterer Pionier im Bau von Hochhäusern aus Holz. Letztes Jahr kündigte die Sumitomo-Gruppe Pläne für den Bau des weltweit höchsten Wolkenkratzers aus Holz in Tokio an. Das 70-stöckige Gebäude mit der Bezeichnung W350 wird nach seiner Fertigstellung 350 Meter hoch sein und aus einer Mischung aus Holz und Stahl bestehen.

 

Neben den ökologischen und finanziellen Vorteilen hat Holz noch eine weitere gute Eigenschaft: Es gefällt den Menschen. Es sind zwar noch weitere Forschungen erforderlich, aber es ist seit langem bekannt, dass sich Menschen durch Holz besser fühlen: Es reduziert Stress, verbessert die Luftqualität und fördert das allgemeine Wohlbefinden.

 

Nano-Holz ist cool

Eine weitere faszinierende Innovation im Bereich Holz ist das von Forschern der University of Maryland entwickelte "Nano-Holz". Dieses neue Material

hat weitreichende Auswirkungen als passives Kühlmittel sowohl für neue als auch für bestehende Gebäude.

 

Obwohl es sich nach Hightech anhört, ist Nano-Holz relativ einfach: Das Team hat eine kostengünstige Methode entwickelt, um gewöhnliches recyceltes Holz von den Verbindungen zu befreien, die es braun und hart machen. Übrig bleibt ein Holzmaterial, das nur aus Zellulose-Nanofasern und den natürlichen Zwischenräumen besteht, die Wasser und Nährstoffe im Inneren eines lebenden Baumes transportieren. Dieses Material wird dann verdichtet, um seine Festigkeit wiederherzustellen, und es wird eine hydrophobe Verbindung hinzugefügt, um es wasserabweisend zu machen.

 

Das Ergebnis ist ein strahlend weißes "Holz", das sowohl extrem effektiv Wärme reflektiert und ableitet als auch extrem stabil ist: zehnmal stärker als Holz und dreimal stärker als Stahl. Diese beiden Eigenschaften machen Nano-Holz zum idealen Baumaterial, insbesondere für Dachziegel und Fassaden. Tests haben gezeigt, dass es die Wärme 10% effektiver abhält als Styropor oder Silica-Aerogel und bis zu 30 Mal haltbarer ist. Die natürliche Nanostruktur des Materials ermöglicht es, dass es selbst in der heißesten Tageszeit bis zu 4 Grad Celsius kühler bleibt als die Umgebungsluft.

 

Nano-Holz ist kostengünstig in der Herstellung (derzeit rund 7 USD pro Quadratmeter) und eignet sich sowohl für Neubauten als auch für die Renovierung bestehender Gebäude. Studien haben gezeigt, dass es bei Gebäuden, die nach 2004 gebaut wurden, die Energiekosten um mehr als 20% senken kann. Bei älteren Gebäuden sind die Einsparungen sogar noch höher.

 

Das Gesicht der Zukunft

Ganzglasfassaden prägen mittlerweile einen Großteil des modernen Stadtbildes. Solche Gebäude mögen zwar stilvoll und elegant sein, aber sie sind auch riesige Gewächshäuser, die von der Sonne aufgeheizt werden und deren Kühlung enorme Energiemengen erfordert.

Nach Angaben der Internationalen Energieagentur hat sich der Energieverbrauch für die Kühlung von Gebäuden seit dem Jahr 2000 verdoppelt und macht heute rund 14% des gesamten Energieverbrauchs aus. Die hohen Umweltkosten von Ganzglasfassaden haben eine wachsende Kampagne prominenter Stimmen ausgelöst, die ein Verbot dieser Fassaden fordern. Während die Debatte noch im Gange ist, könnten neue Durchbrüche die Lösung sein.

 

Homöostatische Fassaden

Homöostatische (selbstregulierende) Fassaden könnten die Gebäude der Zukunft entscheidend verändern.

 

Das von einem Architektenteam in den USA entwickelte System verwendet ein Hightech-Band, das in den Hohlraum eines doppelschaligen Glases gewebt ist und sich je nach Außentemperatur zusammenzieht oder ausdehnt. Das flexible Band besteht aus einem speziellen Polymermaterial namens Dielektrikum, das mit sehr geringem Energieaufwand polarisiert werden kann. Die Bänder reagieren auf Temperaturschwankungen und ziehen sich entweder zusammen, um Wärme hereinzulassen, oder dehnen sich aus, um Sonnenlicht zu blockieren.

 

Vertikale Wälder

Eine weitere Möglichkeit, die Fassade der Zukunft zu gestalten, besteht darin, sie buchstäblich zu begrünen. Vertikale Gärten werden von Architekten und Bauherren zunehmend als ideale Möglichkeit angesehen, die Kühlkosten zu senken und gleichzeitig einen bedeutenden Beitrag zur CO₂ Reduzierung und Reinigung der städtischen Luft.

 

Ein gutes Beispiel dafür ist das preisgekrönte Mailänder Projekt Bosco Verticale (Vertikaler Wald) des Architekturbüros Stefano Boeri. Die 2014 fertiggestellten Zwillingswohntürme ragen 116 und 76 Meter in die Höhe und beherbergen mehr als 800 Bäume und 14 000 Pflanzen, die über 100 Arten repräsentieren.

 

Das Team erhielt auch den Auftrag, die Liuzhou Forest City in China zu entwerfen - das bisher ehrgeizigste vertikale Waldprojekt der Welt. Geplant sind Wohnungen für 30.000 Menschen in einer Reihe von pflanzenbedeckten Wolkenkratzern mit 40.000 Bäumen und einer Million Pflanzen.

 

Es wird erwartet, dass die Bäume in der Liuzhou Forest City jedes Jahr 10.000 Tonnen CO₂ und 57 Tonnen Luftschadstoffe, während etwa 900 Tonnen Sauerstoff produziert werden. Das Projekt wird die durchschnittliche Lufttemperatur in dem Gebiet senken, Lärmschutzwände schaffen und die biologische Vielfalt durch die Schaffung eines Lebensraums für Vögel und Insekten fördern.

 

Klimatisierung

Eine weniger aufsehenerregende, aber nicht weniger wichtige Entwicklung für die bebaute Umwelt ist ein neuer Durchbruch, der die bestehenden Klimatisierungssysteme für Gebäude exponentiell effizienter macht.

 

Heizungs-, Lüftungs- und Klimatisierungssysteme (HVAC), die einen turbulenten Wärmeaustausch nutzen, regulieren in den meisten Gebäuden der Welt das Innenklima. Diese Systeme tragen weltweit wesentlich zum Energieverbrauch in der bebauten Umwelt bei.

 

Ein gemeinsames Team von Forschern aus den USA und China sorgt mit einer relativ kleinen Innovation mit großem Potenzial für Aufsehen in der Welt der HVACs. Das Team nahm eine als HFE bekannte organische Verbindung, die in einigen Wärmeaustauschsystemen als einzige Flüssigkeit verwendet wird, und fügte sie einem Wärmeaustauschsystem auf Wasserbasis hinzu, um zu sehen, was passieren würde.

 

Nach drei Jahren Tüftelei sind die Ergebnisse beeindruckend. Das Team stellte fest, dass die Zugabe von 1% HFE zu einem wasserbasierten HLK-Wärmeaustauschsystem dessen Effizienz um erstaunliche 500% steigern kann, da die HFE-Tröpfchen im Wasser den Wärmeaustausch im gesamten System beschleunigen.

 

Eine derzeitige Einschränkung dieses Durchbruchs ist, dass er nur für den vertikalen Wärmeaustausch funktioniert. Derzeit werden Anpassungen vorgenommen, um die Technik für horizontale Wärmeaustauschsysteme zu modifizieren.