Entwicklung vom MIT 10.03.2022, 07:00 Uhr

So funktioniert nachhaltiger Hausbau: Astgabeln als tragende Strukturen

US-amerikanische Forschende haben einen Weg gefunden, Beton und Stahl zum Teil zu ersetzen. Im Sinne der Nachhaltigkeit wollen sie Holzelemente verwenden, die sonst als Reste verarbeitet werden: Astgabeln. Als Prototyp soll bald ein Pavillon stehen.

Astgabeln

Baumgabeln aus Holz haben so tragfähige Fasern, dass sie Stahl ersetzen könnten.

Foto: Felix Amtsberg

Die Baubranche muss deutlich nachhaltiger werden, um dem Klimawandel entgegenzuwirken. So viel steht fest. Denn gerade die Beton- und Stahlproduktion gelten als große Umweltsünden. Ingenieurinnen und Ingenieure vom Massachusetts Institute for Technology (MIT) in Cambridge schätzen, dass diese Industriezweige allein für bis zu 15% des weltweiten CO2-Ausstoßes verantwortlich sind.

Beim Baustoff Holz ist das Gegenteil der Fall: Bäume binden Kohlenstoffdioxid. Das bleibt im Holz enthalten und gelangt nicht in die Atmosphäre, wenn aus Bäumen Bretter werden. Es verwundert daher nicht, dass der Anteil der Holzhäuser beim nachhaltigen Hausbau wächst. Caitlin Mueller, außerordentliche Professorin für Architektur und Bau- und Umwelttechnik im Building Technology Program am MIT, ist davon überzeugt, dass beim Holz noch viel Potenzial ungenutzt bleibt. Ihr Fokus liegt auf den Astgabeln.

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Klimawandel: So lässt sich der CO2-Fußabdruck von Fachwerken verringern

Nachhaltiger Hausbau statt Resteverwertung

Zum Hintergrund: Bei der Baumernte geht es im Wesentlichen darum, gerade Holz-Abschnitte zu gewinnen, die zu Brettern oder Balken für gleichmäßige Strukturen verarbeitet werden können. Alles andere, also vor allem Äste und Astgabeln, werden in die Resteverwertung einsortiert. Sie werden zum Beispiel zu Pellets oder Gartenmulch verarbeitet. Allerdings wird das in ihnen gebundene CO2 beim Verbrennen oder durch die Zersetzungsprozesse frei und gelangt in die Atmosphäre. Das will Mueller durch mehr Holz für den nachhaltigen Hausbau verhindern.

Zusammen mit ihrer Forschungsgruppe Digital Structures hat sie daher ein Konzept entwickelt, wie ein Teil dieser Holzabfälle sinnvoller eingesetzt werden könnte. Im Rahmen dieses „Upcyclings“ sollen Ast- oder vielmehr Baumgabeln Knotenpunkte in der Baustruktur bilden und auf diese Weise zum Beispiel Stahl ersetzen. Das Prinzip wird klar, wenn man die Bauzeichnung eines Architekten betrachtet. Dort finden sich viele Y-förmige Knotenpunkte, wo gerade Elemente zusammengeführt werden. Entscheidend ist bei dieser Idee natürlich, dass die Baumgabeln den Kräften, die dort auf sie einwirken, auch standhalten können.

Natürliche Strukturen für nachhaltigen Hausbau nutzen

Mueller hat an der Tragfähigkeit der Holz-Elemente für den nachhaltigen Hausbau keinen Zweifel. Sie erklärt: „Baumgabeln sind natürliche strukturelle Verbindungen, die als Ausleger in Bäumen funktionieren, was bedeutet, dass sie dank ihrer inneren Faserstruktur das Potenzial haben, Kräfte sehr effizient zu übertragen.“ Das zeige auch der Querschnitt einer Baumgabel. Dort befände sich ein Netzwerk von Fasern, die sich miteinander verflechten, um einen starken Lastübertragungspunkt in einem Baum zu schaffen.

Das ist die Theorie. In der Praxis sind Baumgabeln aber sehr individuell gewachsen und können geometrisch perfekte Stahl-Elemente nicht einfach eins zu eins ersetzen. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler haben daher einen Design-to-Fabrication-Workflow konzipiert, der dafür gedacht ist natürliche Strukturen wie Baumgabeln mit den digitalen und computergestützten Werkzeugen der Architektinnen und Architekten zusammenzubringen. Anders gesagt: Die Software wird verwendet, um für die Baumgabeln den richtigen Platz in einer möglichen architektonischen Struktur zu finden.

Individuelle Wuchsrichtung der Holzelemente muss beachtet werden

Das ist keineswegs Theorie. Als eine Reihe von Bäumen in Massachusetts gefällt werden sollte, organisierte sie den Transport der Baumgabeln ans MIT. Dort erstellten die Ingenieurinnen und Ingenieure als Erstes eine digitale Materialbibliothek, indem sie überschüssiges Material entfernten und die Formen der Gabeln per 3D-Scan aufnahmen. Außerdem wandten sie Verfahren der Photogrammetrie (Vermessung von Objekten anhand von Fotos) an. Besonders wichtig sind dabei die Ausrichtungen der Verzweigungen, weil durch sie die innere Faserausrichtung klar wird, die für die Festigkeit der Holzelemente entscheidend ist.

Im nächsten Schritt verteilten die Forschenden die Baumgabeln auf einen architektonischen Entwurf, wobei sie einen bestimmten Algorithmus nutzen (ungarischer Algorithmus), um verschiedene Varianten zu testen. Ziel war es, die nachhaltigen Knotenelemente so einzusetzen, dass die geraden Komponenten wie eine Verlängerung der Gabeln angebracht werden konnten, also entsprechend der vorherigen Äste. Dabei werden natürlich auch die Wünsche des Konstrukteurs berücksichtigt. Eine gewisse Flexibilität ist also unverzichtbar.

Pavillon als Prototyp für nachhaltigen Hausbau

Vor dem eigentlichen Bau werden die Baumgabeln so zugeschnitten, dass die Enden optimal zu den geraden Elementen passen. Die Rinde wird ebenfalls entfernt. All diese Prozesse laufen automatisiert ab, unter anderem durch einen Roboterarm. Zu guter Letzt folgt der Zusammenbau der Struktur. Mueller hat sie bereits einmal grob auf dem Campus installieren lassen. Ziel ist aber ein Außenpavillon. Er soll demonstrieren, dass ein nachhaltiger Hausbau mit Baumgabeln tatsächlich möglich wäre.

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Ein Beitrag von:

  • Nicole Lücke

    Nicole Lücke macht Wissenschaftsjournalismus für Forschungszentren und Hochschulen, berichtet von medizinischen Fachkongressen und betreut Kundenmagazine für Energieversorger. Sie ist Gesellschafterin von Content Qualitäten. Ihre Themen: Energie, Technik, Nachhaltigkeit, Medizin/Medizintechnik.

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