Forscher nutzen biologische Materie, um einzigartige neue Materialien zu schaffen, die sich an ihre Umgebung anpassen und sich selbst reparieren können.
Der Science-Fiction-Autor Arthur C. Clarke sagte einmal: „Jede hinreichend fortgeschrittene Technologie ist von Magie nicht zu unterscheiden.“
Auf Dr. Kunal Masania, außerordentlicher Professor für Luft- und Raumfahrtstrukturen und -materialien an der Technischen Universität Delft in den Niederlanden, machte Clarke großen Eindruck.
„Das hat mich schon immer sehr inspiriert“, sagte Masania. „Durch meine Forschung versuche ich, eine Art Magie in das Leben der Menschen zu bringen.“
Lebende Materialien
Masania entwickelt sogenannte „lebende Materialien“ für den Einsatz in der Luft- und Raumfahrt sowie im Transportbereich. Diese lebenden Materialien sind, genau wie ihr Name vermuten lässt, buchstäblich lebendig. Sie enthalten Mikroorganismen wie Pilze und Bakterien, die ihnen die Fähigkeit verleihen, ihre Integrität zu bewahren und sich selbst zu heilen.
Seine Arbeit mag wie Zauberei wirken, aber sie ist sehr real und macht gute Fortschritte.
Es ist Teil eines auf fünf Jahre angelegten Projekts namens AM-IMATE, für das Masania im Januar 2023 ein Stipendium der Europäischen Union erhielt. Das Forschungsteam untersucht das Potenzial biologischer Organismen für die Integration in innovative neue Materialien für den Einsatz in Industrie und Technik.
„Das Ziel besteht darin, technische Strukturen zu schaffen, die sich wie lebende Organismen verhalten und mechanische Belastungen spüren und sich daran anpassen können“, sagte Masania.
Pilze aus dem 3D-Drucker
Das von Masania entwickelte Material ist ein Verbundwerkstoff, der lebende Pilzzellen und Holz kombiniert. Es besteht aus einem Hydrogel und Myzel, einer wurzelähnlichen Struktur eines Pilzes, der normalerweise unter der Erde lebt.
„Wir haben uns für die Arbeit mit Pilzen entschieden, weil Pilze sehr robuste Organismen sind, raue Bedingungen vertragen und relativ einfach zu kultivieren sind“, sagte Masania.
Darüber hinaus verfügen Pilzzellen über eine große Fähigkeit zur Verbindung. Myzel kann ein riesiges Sensornetzwerk bilden, das es ihm ermöglicht, Signale durch den gesamten Organismus zu senden. Das bedeutet, dass die Wissenschaftler nur wenige Zellen im Material verteilen müssen, und diese Zellen verbinden sich dann erneut und bilden ein Sensornetzwerk.
Um diese lebenden Materialien herzustellen, hat Masania ein spezielles 3D-Druckverfahren und eine neue 3D-Drucktinte entwickelt.
„Wir machen in dieser Hinsicht gute Fortschritte und sind bereits in der Lage, unser Material im 3D-Druckverfahren herzustellen“, sagte er.
Nachhaltiger Raum
Biologische Materialien könnten dazu beitragen, die Leistung und Haltbarkeit wichtiger Strukturen in Bereichen wie der Luft- und Raumfahrt und dem Transportwesen zu verbessern. Masania und sein Team untersuchen beispielsweise, wie ihre Verbundwerkstoffe als Kernmaterial für die Innenausstattung von Flugzeugen eingesetzt werden können.
„Unsere Materialien sind sehr leicht und nachhaltiger als die derzeit verwendeten Materialien“, sagte Masania. „Derzeit besteht das Innere von Flugzeugen größtenteils aus Kunststoff und Metall. Wenn wir diese ersetzen, sind wir nicht mehr auf fossile Brennstoffe angewiesen und können bessere Lösungen für das Ende der Lebensdauer anbieten. Wenn wir lebende Materialien verwenden, könnten die Flugzeugkomponenten zerlegt und der Natur zurückgegeben werden.“
Masanias Forschung zielt möglicherweise sogar darauf ab, das, was wie Science-Fiction klingt, Wirklichkeit werden zu lassen.
„Es könnte sehr interessant für den Bau im Weltraum und auf anderen Planeten sein“, sagte er. „Unsere lebenden Materialien könnten die Grundlage für neue Lebensräume bilden, da man die lokalen Materialien verwenden und sie mithilfe der Pilze miteinander verbinden könnte.“
Biobasierte Gebäudehülle
Auch in unserer näheren Umgebung werden biobasierte Materialien verwendet, um einen neuen Verbündeten für nachhaltiges Bauen zu entwickeln. Dr. Anna Sandak ist Expertin für Materialwissenschaften mit besonderem Schwerpunkt auf Holz. Sie ist außerordentliche Professorin an der Universität Primorska in Koper, Slowenien, und stellvertretende Direktorin und Leiterin der Materialabteilung am slowenischen InnoRenew-Kompetenzzentrum.
InnoRenew wurde 2017 mit Hilfe von EU-, internationalen und nationalen Fördermitteln gegründet, um Sloweniens Stärken in der Forst- und Holzforschung auszubauen. Ziel war die Erforschung innovativer erneuerbarer Materialien für nachhaltiges Bauen.
Im Jahr 2022 erhielten Sandak und ihr InnoRenew-Forschungsteam einen fünfjährigen EU-Zuschuss, um das Konzept eines bioaktiven lebenden Beschichtungssystems für den Einsatz in der Bauindustrie weiterzuentwickeln. Dank dieser Förderung entwickeln sie einen „lebenden“ Biofilm, der verschiedene gebaute Oberflächen, darunter Beton, Kunststoff und Metall, schützen kann.
Die Idee dahinter ist, dass diese lebende Haut zum Schutz von Baumaterialien eingesetzt werden könnte und Gebäude widerstandsfähiger und nachhaltiger macht.
„Statt synthetische Chemikalien, Biozide und Mineralöle zu verwenden, die nicht immer umweltfreundlich sind, konzentrieren wir uns auf die Entwicklung natürlicher Lösungen“, sagte Sandak.
Durch die Verwendung lebender Organismen schaffen Wissenschaftler neue Funktionalitäten, die in herkömmlichen Materialien nicht zu finden sind.
„Wir fügen Materialien eine neue Dimension hinzu, die es bisher nicht gab – Leben“, sagte Sandak. „In der Natur haben Zellen viele fantastische Eigenschaften, die in synthetischen Materialien nur sehr schwer und teuer zu erreichen sind. Lebende Materialien sind umweltfreundlicher, sie können sich selbst heilen, haben das Potenzial, die Luft zu reinigen und sind kostengünstiger.“
Lustige Pilze
Wie im AM-IMATE-Projekt arbeitet Sandaks Team hauptsächlich mit Pilzen.
„Sie haben ein riesiges Potenzial“, sagte sie. „Sie wachsen fantastisch, haben eine hohe Überlebensrate und brauchen nicht viele Nährstoffe. Pilze machen Spaß.“
Pilze kommen auf Baustellen bereits vor, sind aber normalerweise unerwünscht, da sie Materialien beschädigen können. Sandaks Team arbeitet jedoch mit einem bestimmten Pilz, der nicht schädlich ist und Materialien nicht zersetzt.
„Wir benutzen die ‚Guten‘, um die Ausbreitung der ‚Bösen‘ zu stoppen.“
Um sicherzustellen, dass ihre Forschung in die Praxis umgesetzt wird, entwickeln die Wissenschaftler eine Biobeschichtung, die nicht nur wirksam, sondern auch optisch ansprechend ist. Sie testen sie auf verschiedenen Materialien und arbeiten daran, verschiedene Farben hinzuzufügen.
„Weil Ästhetik in der Architektur wichtig ist“, sagte Sandak.
Das resultierende Produkt soll eine Beschichtung auf Wasserbasis sein, die auf eine Vielzahl von Oberflächen gesprüht, gestrichen oder gerollt werden kann.
ARCHI-SKIN läuft bis 2027 und laut Sandak schreitet die Forschung recht schnell voran, und es wird nicht mehr lange dauern, bis die Beschichtung auf den ersten Gebäuden aufgetragen werden kann.
„Ich glaube, dass unsere Lösung innerhalb des nächsten Jahrzehnts eingesetzt werden kann“, sagte sie.
Gesellschaftliche Auswirkungen
Bei beiden Projekten gewinnen die Wissenschaftler wertvolles Grundlagenwissen über Mikroorganismen, doch das wichtigste Ergebnis der Forschung sollen, wie beide Projektkoordinatoren sagen, Anwendungen im realen Leben sein.
„Wir wollen unsere Welt zu einem besseren Ort machen“, sagte Sandak.
„Ich bin überzeugt, dass wir in Zukunft noch viele weitere Anwendungen für biobasierte Materialien sehen werden, beispielsweise in Gebäuden und der bebauten Umwelt sowie in Konsumgütern“, sagte Masania. „Mit zunehmendem Verständnis dieser Materialien werden immer mehr Anwendungen folgen.“