Zeitung Heute : Die Natur als Baumeisterin

Dietmar Stephan entwickelt Materialien, die stabiler und klimafreundlicher sein sollen als herkömmlicher Beton. Sein Traum ist ein Baustoff, der nur aus Recyclingmaterial besteht.

Paul Janositz

Beton symbolisiert Beständigkeit und Festigkeit. Ein Baustoff für die Ewigkeit, verarbeitet zu stabilen Brücken, monumentalen Bauten oder trostlosen Wohnsilos. Anfangs hellgrau leuchtend, wird Beton schnell dunkel und schmutzig. Keinesfalls verbindet man damit Ästhetik und Zerbrechlichkeit. Dann legt Dietmar Stephan eine dünne, dunkle Platte auf den Tisch. In der schimmernden Oberfläche kann man sich spiegeln. Klopft man darauf, so klingt es spröde. Das könnte Schiefer sein. Doch das schöne Material ist „ultrahochfester Beton“, sagt Stephan.

Für den 43-jährigen Professor für Bauchemie an der TU Berlin ist das moderne Material ein gutes Beispiel für maßgeschneiderte Baustoffe. Ohne sie wären manche Methoden der modernen Energiegewinnung gar nicht möglich. „Offshore-Windparks oder Gezeiten-Kraftwerke müssen dem Angriff durch das Meerwasser standhalten. Solaranlagen in der Wüste sind extremen Temperaturschwankungen und Sandstürmen ausgesetzt“, erläutert Stephan. Da muss auch im wahrsten Sinne des Wortes die Chemie stimmen. Denn ohne chemische Zusatzstoffe wie Fließmittel, Härtungsbeschleuniger oder -verzögerer, Beschichtungen oder bauchemische Abdichtungen ist nachhaltiges Bauen nicht möglich.

Auch ultrahochfester Beton leistet seinen Beitrag, etwa wenn er Kläranlagen so abdichtet, dass aggressive Stoffe nicht eindringen und das Bauwerk von innen zerfressen können. Der moderne Baustoff hat ein wesentlich dichteres Gefüge als das übliche, aus Zement, Wasser und Gesteinskörnung sowie Zusatzstoffen hergestellte Material. Dank seiner hohen Festigkeit lassen sich damit vergleichsweise leichte und filigran wirkende Bauten herstellen, die gleichzeitig extrem belastbar sind. Beispielsweise die 133 Meter lange Gärtnerplatzbrücke in Kassel, „die erste Brücke aus filigranem Beton in Deutschland“, sagt Stephan. Der Spezialbaustoff ist zehnmal so fest wie herkömmlicher Beton und enthält etwa zwei Prozent millimeterfeine Stahlfasern. Das Leichtgewicht erreicht fast die Druckfestigkeit von Stahl, wichtige tragende Elemente der Brücke konnten sogar geklebt werden.

Am Forschungsschwerpunkt „Neue Werkstoffe im Bauwesen“ der Uni Kassel hat auch Dietmar Stephan mitgearbeitet. Dort hat er sich mit einer Arbeit zum Thema „Nanomaterialien im Bauwesen“ habilitiert, bevor er im März 2011 die Stiftungsprofessur für Bauchemie an der TU Berlin übernahm. Fünf Jahre lang finanziert die „Deutsche Bauchemie e.V.“ den Lehrstuhl, dann steht die TU Berlin bereit.

Strukturen im Mikro- (tausendstel Millimeter) und Nanobereich (millionstel Millimeter) sind es, die dem ultrahochfesten Beton seine besonderen Eigenschaften verleihen. Um das zu erreichen, werden dem Cocktail der üblichen Ausgangsstoffe Silica-Staub und andere mikrofeine Substanzen zugefügt. So entsteht eine außergewöhnlich dichte Packung der Körnchen, was wiederum den Beton stabiler macht.

Doch in Zeiten des Klimawandels möchten die Forscher Baustoffe nicht nur fester, leichter und preisgünstiger machen. Sie sollen auch klimafreundlicher werden. „Ein großer Teil des globalen Energie- und Ressourcenverbrauchs geht auf Bau, Betrieb, Instandhaltung sowie Rückbau und Entsorgung von Gebäuden und Infrastruktur zurück“, sagt Stephan. Diese Erkenntnis treibt die Forschung im TU-Institut für Bauingenieurwesen voran. Stephans Team interessiert sich für die Umweltbilanz von Bauten während des gesamten Lebenszyklus, von der Herstellung bis zum Recycling also. Zement etwa ist das global am meisten verwendete Industrieprodukt. Bei seiner Herstellung werden rund fünf Prozent der weltweiten Kohlendioxid-Emissionen freigesetzt, rechnet der Wissenschaftler vor. „Mit ultrahochfestem Beton errichtete Bauten halten nicht nur länger. Man spart bei der Herstellung auch etwa 60 Prozent der Rohstoffe und rund 40 Prozent der Kohlendioxid-Emissionen ein.“

Noch besser wäre es, einen Baustoff zu kreieren, der vollständig aus sekundären Rohstoffen besteht. Stephan legt einen Plastikbeutel auf den Tisch, im Innern ist ein viereckiger roter Festkörper, er sieht aus wie ein Bauklotz. „Hier sind Abfälle vom Hochofen oder aus Steinkohlekraftwerken mit Reststoffen der Aluminiumherstellung zu einem neuen Baustoff kombiniert worden“, erläutert er. Es handelt sich um Schlacken, Flugasche oder Hüttensand. Mit derartigen „Geopolymeren“ können Baustoffe maßgeschneidert werden, was Eigenschaften wie Festigkeit, Recyclingfähigkeit oder Beständigkeit gegenüber Schadstoffen betrifft – ein Beispiel für die Grundlagenforschung, wie sie im Fachgebiet für Baustoffe und Bauchemie betrieben wird.

So ist es kein Wunder, dass Stephans „Wunschbaustoff“ unbedingt ressourcenschonend sein soll. Dabei will sich der Chemiker von den Schwalben inspirieren lassen, die mit Naturstoffen wie Sand, Lehm oder Zweigen sowie mit Speichel als Zusatzstoff ihre Nester bauen. Die gewaltigen, festen Termitenbauten aus mit Speichel vermauerter Erde bewundert der Forscher ebenso wie die robusten und doch elastischen Schalen, die Muscheln aus Kalk und natürlichen Additiven zaubern. Auch Kieselalgen, die mit ihrem filigranen Skelett eine erstaunliche Stabilität erzielen, seien ein Vorbild für die Forscher.

Dem „Baustoff von morgen“ spricht Stephan zudem Intelligenz zu. Das wären Materialien, die auf wechselnde Umweltbedingungen reagieren können, selbstheilend und klimafreundlich sind. Auf dem Markt sind bereits Baustoffe, die photokatalytisch Schadstoffe zerlegen können. Hier sieht Stephan noch einigen Bedarf an Forschung, der sich sein Team auch schwerpunktmäßig widmet.

Die Arbeit im Fachgebiet Bauchemie ist interdisziplinär, das spiegeln auch die neun wissenschaftlichen Mitarbeiter. Bauingenieure, Chemiker, Geologen und Umweltingenieure sind dabei; Techniker, Laboranten und studentische Mitarbeiter nicht zu vergessen. Gemeinsame Projekte mit anderen Fakultäten, wie zum Beispiel Untersuchungen per Rasterkraftmikroskop mit den Physikalischen Chemikern, sind begonnen. Das Spektrum der Forschung geht von den Grundlagen bis zur Anwendung. Das sagt Dietmar Stephan zu, der auch eine Zeit lang in der Industrie gearbeitet hat. Zudem bieten viele Forschungseinrichtungen wie die Bundesanstalt für Materialprüfung (BAM), das Deutsche Institut für Bautechnik oder das Deutsche Institut für Normung (DIN) gute Möglichkeiten zur Kooperation.

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