Nachhaltiger Schaumstoff auf Cellulose-Basis: Eine umweltfreundliche Alternative

Schaumstoffe sind aus zahlreichen Branchen nicht wegzudenken – sie finden Verwendung im Automobilbau, im Hausbau, im Maschinenbau sowie in Schuhen und Helmen. Bisher werden diese Materialien in der Regel auf Basis von Erdöl hergestellt, was den CO₂-Fußabdruck erheblich belastet. Innerhalb des Projekts BreadCell ist es einem internationalen Konsortium gelungen, Schaumstoffe aus Cellulose zu entwickeln, die in einem Herstellungsprozess erzeugt werden, der dem Brotbacken ähnelt. Diese Schaumstoffe sind vollständig biologisch abbaubar und rezyklierbar, wodurch sie einen entscheidenden Beitrag zu mehr Nachhaltigkeit leisten. Die TU Graz, insbesondere das Institut für Biobasierte Produkte und Papiertechnik sowie das Institut für Fahrzeugsicherheit, hat hierbei maßgeblich zur Entwicklung der Technologie beigetragen.

Vielfältige Anwendungsmöglichkeiten des biologisch abbaubaren Schaumstoffs

„Es ist wichtig, in so vielen Bereichen wie möglich Nachhaltigkeitsbestrebungen umzusetzen“, sagt Stefan Spirk vom Institut für Biobasierte Produkte und Papiertechnik. „Cellulose ist pflanzenbasiert und in großen Mengen verfügbar. Ölbasierte Produkte durch solche aus Cellulosematerialien zu ersetzen, zielt daher auf dieses Ziel ab und der im Projekt BreadCell entwickelte Schaumstoff hat vielfältigste Anwendungsmöglichkeiten.“ Die Forschenden sehen Potenzial in zahlreichen Bereichen: Im Automobilsektor für Crash-Impact-Energiemanagement, im Bausektor als Dämmstoff sowie in der Sportindustrie für die Produktion von Sportgeräten und Schuhsohlen. Der nachhaltige Schaumstoff bietet zudem Vorteile im Feuchtemanagement und in der Akustik.

Upgraden von Graugusskonstruktionen

Faserdesign und Simulationen für optimale mechanische Eigenschaften

Ein zentrales Ziel des Projekts BreadCell war es, mittels modernster Simulationstechnologien Korrelationen zwischen der Schaumfestigkeit und dem Faserdesign herzustellen. Um die notwendigen Materialdaten für diese Simulationen zu gewinnen, wurde der Schaumstoff umfangreich charakterisiert. Hierbei kamen vielfältige Belastungstests zum Einsatz, unter anderem auf einem hochdynamischen Prüfstand der TU Graz, der das Material schnellen und dynamischen Belastungen aussetzt. Basierend auf den entwickelten Simulationsmodellen und den erfassten Daten konnten Schäume mit unterschiedlichen Dichten und mechanischen Eigenschaften hergestellt werden. Diese wurden anschließend in verschiedenen Demonstratoren verbaut.

Erfolgreiche Demonstratoren: Vom Fahrradhelm bis zur Schuheinlage

Die Forschenden haben Demonstratoren wie ein Skateboard, ein Bodyboard, einen Fahrradhelm und Schuheinlagen aus dem nachhaltigen Schaumstoff gefertigt und getestet. „Bei der Entwicklung des Schaums zeigte sich auch eine interessante Eigenschaft: Es war eine Herausforderung, die Dichte über die gesamte Dicke des Schaums perfekt homogen zu halten“, sagt Florian Feist vom Institut für Fahrzeugsicherheit. „Doch diese Inhomogenität erwies sich bei einer spezifischen Anwendung als vorteilhaft: bei Fahrradhelmen. Eine weichere Mittellage ermöglicht eine Art Scherung zwischen der äußeren und inneren Helm-Lage. Dies reduziert bei einem Aufprall die rotatorische Belastung auf das Gehirn, ähnlich dem Prinzip moderner Sicherheitssysteme wie dem MIPS-System.“

Lebender Baustoff als CO2-Speicher: Cyanobakterien im 3D-gedruckten Hydrogel

Starke Partnerschaften und erstes Spin-off: FOAMO produziert nachhaltige Schuheinlagen

Neben der Chalmers University, die die Projektkoordination übernahm, und der TU Graz waren weitere Partner am Projekt BreadCell beteiligt: Die Universität Wien forschte an Sandwich-Konstruktionen für Leichtbauteile, Tecnalia in Spanien prüfte die Machbarkeit der industriellen Umsetzung und BioNanoNet (BNN) in Graz bewertete die biologische Abbaubarkeit sowie den Lebenszyklus des entwickelten Materials. Aus dem erfolgreichen Projekt ist das Unternehmen FOAMO hervorgegangen, ein Spin-off, das den biologisch abbaubaren Schaumstoff für die Produktion von leichten und dämpfenden Schuheinlagen nutzt.

Zukunftspotenzial des biologisch abbaubaren Cellulose-Schaumstoffs

Der innerhalb von BreadCell entwickelte Cellulose-Schaumstoff zeigt, wie nachhaltige Materiallösungen auf Basis pflanzlicher Rohstoffe die Zukunft von Automobilindustrie, Bauwirtschaft, Sportartikelproduktion und weiteren Branchen verändern können. Die Kombination aus biologischer Abbaubarkeit, Rezyklierbarkeit und mechanischer Leistungsfähigkeit macht das Material zu einem zukunftsweisenden Baustein für die Umsetzung nachhaltiger Produktions- und Produktstrategien in der Industrie.