Forscher 3D-drucken Bodenstrukturen, auf denen Pflanzen wachsen können

Eines Tages, vielleicht sogar eher früher als später, könnten Menschen, die Häuser und Büros bauen, ihre Dächer und Wände mit Hilfe von Erde, in die Samen eingepflanzt sind – man denke nur an überdimensionale Chia-Tierchen -, in 3D drucken, dank neuer Nachhaltigkeitsforschung an der Universität von Virginia.

Sie haben sicher schon Gebäude mit Dachgärten und Terrassen gesehen, auf denen Bäume und Gräser wachsen. Für Architekten und Bauherren ist es mühsam, Erde und Pflanzen auf Stahl und Zement aufzupfropfen, aber der Nutzen für die Umwelt kann groß sein: Gärten sind natürliche Isolatoren, saugen den Regen auf und bieten Grünflächen für Menschen, Tiere und Bestäuber.

Ji Ma, Assistenzprofessor für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen an der School of Engineering and Applied Science der UVA, fragte sich: “Warum müssen wir dafür sorgen, dass die Struktur oder das Gebäude von der Natur, in der es steht, getrennt ist?”

Um diese Frage zu beantworten, ging Ma eine Partnerschaft mit David Carr, einem Forschungsprofessor am Department of Environmental Sciences der UVA, und Ehsan Baharlou, einem Assistenzprofessor an der School of Architecture der UVA, ein. Außerdem holte er einen seiner Studenten, Spencer Barnes, mit ins Boot, der sich Ma’s Forschungsgruppe im ersten Studienjahr anschloss und im Mai 2022 seinen Bachelor of Science in Luft- und Raumfahrttechnik erwarb.

Gemeinsam haben sie bewiesen, dass der 3D-Druck geometrisch komplexer Strukturen aus Erde und Saatgut möglich ist, und damit eine wichtige Innovation im biobasierten Bauen eingeführt.

Der 3D-Druck bzw. die additive Fertigung in der Architektur und im Bauwesen ist ein aufstrebender Markt, der durch das Interesse der Gemeinschaft an umweltfreundlichen Gebäuden und den Bedarf an erschwinglichem Wohnraum angetrieben wird. Das Projekt Virginia ist ein Beispiel für diesen Trend. Alquist 3D, ein Hersteller von 3D-gedruckten Häusern, hat das Projekt Virginia ins Leben gerufen, um Menschen in abgelegenen und unterversorgten Regionen der Vereinigten Staaten erschwingliche und nachhaltige Häuser zu bieten. Das Unternehmen hat Ende April den ersten Spatenstich für das Projekt in Pulaski, Virginia, gesetzt und plant, bis 2027 200 Häuser in Pulaski und Roanoke fertigzustellen.

Das UVA-Forschungsteam geht mit dem 3D-Druck noch einen Schritt weiter und kombiniert die Schnelligkeit, Kosteneffizienz und den geringen Energiebedarf der additiven Fertigung mit lokal verfügbaren, biobasierten Materialien. Diese Designphilosophie und dieser Ansatz stehen im Einklang mit einer nachhaltigen Entwicklungspraxis, die als Kreislaufwirtschaft bezeichnet wird.

Wie von der Ellen MacArthur Foundation erläutert, bietet eine Kreislaufwirtschaft bessere Ergebnisse für Mensch und Umwelt, indem sie Abfall und Verschmutzung vermeidet, Produkte und Materialien zu ihrem höchsten Wert in Umlauf bringt und die Natur regeneriert. In unserer heutigen Wirtschaft nehmen wir Materialien aus der Erde, stellen daraus Produkte her und werfen sie schließlich als Abfall weg – der Prozess ist linear. In einer Kreislaufwirtschaft hingegen verhindern wir, dass Abfall überhaupt erst entsteht.

“Wir sind zu bodenbasierten ‘Tinten’ übergegangen, um zusätzliche Vorteile aus der additiven Kreislauffertigung zu ziehen”, so Baharlou. “Wir arbeiten mit lokalen Böden und Pflanzen, die mit Wasser gemischt werden; der einzige Strom, den wir benötigen, ist der für den Transport des Materials und den Betrieb einer Pumpe während des Drucks. Wenn wir ein gedrucktes Stück nicht brauchen oder wenn es nicht die richtige Qualität hat, können wir das Material recyceln und in der nächsten Charge von Tinten wiederverwenden.”

Das zirkuläre biobasierte Bauen beruht auf einer effizienteren Nutzung von Rohstoffen beim Bau, was wiederum dazu beiträgt, die Kohlenstoffemissionen während des Lebenszyklus eines Gebäudes zu verringern. Die meisten Komponenten und Materialien, die in der Bauindustrie verwendet werden, sind nicht nur nicht anpassungsfähig, wiederverwendbar oder werden während oder nach ihrem Lebenszyklus recycelt, sondern stammen oft auch nicht aus lokaler Produktion. Die Abkehr vom derzeitigen linearen Ansatz bei der Planung und dem Bau von Gebäuden hin zu einem kreisförmigen Ansatz erfordert Forschung und Prototyping in den Bereichen Architektur, Technik und Bauwesen.

An dieser Stelle kam Barnes ins Spiel.

“Sie haben mich dafür bezahlt, mit Dreck zu spielen”, sagte Barnes. “Professor Ma hat ein sehr ausgeklügeltes Labor für additive Fertigung, das hauptsächlich mit Laserdrucken mit Metallpulvern arbeitet. Die Drucker sind hochmodern, sehr präzise und glänzend. Und ich sitze am Ecktisch und rühre irgendeine Erdmischung an.”

Barnes führte mit Unterstützung eines Harrison Grant der University of Virginia Experimente mit Tinten auf Erdbasis durch. Mit einem tischgroßen 3D-Drucker untersuchte er zwei Ansätze: Er druckte Erde und Samen in aufeinanderfolgenden Schichten und mischte Samen und Erde vor dem Druck. Beide Ansätze funktionierten. Barnes stellte einen zylindrischen Prototyp her, etwa so groß wie eine Getränkedose, der ein wenig wie ein Chia-Haustier aussah.

Baharlou schlug daraufhin vor, Bodenstrukturen mit komplexeren Geometrien, wie etwa Kuppeln, im 3D-Druckverfahren herzustellen. Das Forschungsteam, zu dem auch Leah Kirssin, die 2021 einen Bachelor of Science in Architektur erwarb, und Lizzie Needham, die im selben Jahr einen Master of Landscape Architecture erwarb, testeten, wie das Material aus dem Druckerkopf oder der Düse kommt, ein Prozess, der Extrusion genannt wird, ohne jegliche Zusätze zur Bodenmischung. Diese gemeinsamen Bemühungen ergaben, dass 3D-gedruckte Bodenstrukturen das Pflanzenwachstum unterstützen können, aber wahrscheinlich auf Pflanzen beschränkt wären, die mit wenig Wasser auskommen.

Die von Baharlous Forschungsteam durchgeführten Experimente haben gezeigt, dass 3D-gedruckte Bodenstrukturen das Pflanzenwachstum unterstützen können, aber wahrscheinlich nur für Pflanzen geeignet sind, die mit wenig Wasser überleben können. Foto mit freundlicher Genehmigung von E. Baharlou

“3D-gedruckte Böden neigen dazu, Wasser schneller zu verlieren und halten das vorhandene Wasser besser fest”, sagte Ma. “Da der 3D-Druck die Umgebung der Pflanze trockener macht, müssen wir Pflanzen einbeziehen, die ein trockeneres Klima mögen. Wir glauben, dass dies der Fall ist, weil der Boden verdichtet wird. Wenn die Erde durch die Düse gepresst wird, werden Luftblasen herausgedrückt. Wenn der Boden keine Luftblasen mehr enthält, kann er das Wasser besser festhalten.”

Wenn eine Pflanze Wasser braucht, muss sie mit dem Boden darum kämpfen und einen gewissen Druck ausüben, um das Wasser aus dem Boden und in die Wurzeln zu locken. Gleichzeitig übt der Boden einen eigenen Druck aus, um das Wasser zurückzuhalten, der als matrisches Potenzial bezeichnet wird. Ob die Pflanze oder der Boden dieses Tauziehen gewinnt, hängt von der Art des Bodens, der Pflanzensorte und dem Reifegrad der Pflanze ab. Um herauszufinden, welche Pflanzen in 3D-gedruckter Erde wachsen können, untersuchte Barnes die relative Verfügbarkeit von Wasser in einem Boden im Laufe der Zeit in Kombination mit der Energiemenge, die Pflanzen benötigen, um das Wasser zu extrahieren.

Um die richtige Mischung aus Erde und Saatgut zu finden, wandte sich Ma an Carr, den Leiter der Blandy Experimental Farm, einer umweltwissenschaftlichen Feldstation in Clarke County, Virginia.

“Einige meiner Studenten haben 3D-Drucker verwendet, um Vorrichtungen zum Einsammeln von Pollen von Bienen in ihren Bienenstöcken herzustellen, aber ich hätte mir nie vorstellen können, dass man etwas drucken könnte, das biologisch lebendig ist”, sagte Carr.

Carr gab frühzeitig Ratschläge zu einer Reihe von Bodeneigenschaften. Der Boden muss nicht nur Wasser speichern, sondern auch organisches Material anreichern und Nährstoffe aufnehmen können. Außerdem muss er es den Pflanzen ermöglichen, sich in der gedruckten Struktur zu verwurzeln, damit sie, sobald sie eine gewisse Größe erreicht haben, nicht verschwinden, abgewaschen werden oder austrocknen und absterben.

Carr schlug Pflanzen vor, die natürlicherweise in Gebieten vorkommen, in denen das Leben an seine Grenzen stößt – einheimische Pflanzen, die praktisch direkt auf nacktem Fels wachsen.

“Begrünte Dächer tendieren zu diesen Arten, die gut unter diesen wirklich harten Bedingungen leben können und von der Sonne gebacken werden”, sagte Carr. “Aus dieser Forschung können wir eine Menge darüber lernen, was bei Gründächern für Regenwasser, Kühlung und als Lebensraum für Bestäuber und andere Insekten funktioniert.”

Carr empfahl die Fetthenne als einen guten Kandidaten für 3D-gedruckte Bodenstrukturen. Die Fetthenne, formal als Gattung Sedum bekannt, wird häufig für die Dachbegrünung verwendet. Die Physiologie der Fetthenne ist ähnlich wie die des Kaktus. Sie kann mit sehr wenig Wasser auskommen, bis zu einem gewissen Grad austrocknen und sich dann wieder erholen.

Das Team veröffentlichte seine Ergebnisse unter dem Titel 3D Printing of Ecologically Active Soil Structures (3D-Druck von ökologisch aktiven Bodenstrukturen) Anfang des Jahres in der Zeitschrift Additive Manufacturing. Barnes, der die Arbeit des Teams als Erstautor verfasst hat, wird als Student des Maschinenbaus an der Stanford University, wo er sich auf die Forschung im Bereich Hyperschallflug und -antrieb konzentrieren will, weiterhin zur Lösung großer Probleme mit großen Auswirkungen beitragen.

“Ich habe die Zusammenarbeit mit Dr. Ma und dem Rest des Teams sehr genossen”, sagte Barnes. “Die Kombination von Experten aus verschiedenen Disziplinen führte zu einem einzigartigen Projekt mit großem Wirkungspotenzial. Ich hoffe, dass ich auch in Zukunft mit ähnlichen interdisziplinären Teams zusammenarbeiten werde, wenn ich zur Graduiertenschule gehe.”

Ma, Baharlou und Carr haben ihre Forschung im Bereich der 3D-gedruckten Bodenstrukturen mit Hilfe von zwei 3Cavaliers-Stipendien ausgeweitet. Das Büro des Vizepräsidenten für Forschung der UVA hat das 3Cavaliers-Zuschussprogramm ins Leben gerufen und verwaltet es, um die Zusammenarbeit zwischen Fakultäten verschiedener Fakultäten zu fördern.

Ma und Baharlou arbeiteten zuvor mit Osman Ozbulut, einem außerordentlichen Professor für Bauingenieurwesen und Hauptforscher bei einem 3Cavliers-Stipendium zusammen, um eine 3D-Drucktechnik für zementbasierte architektonische Strukturen zu entwickeln.

Mit Unterstützung des Fabrication Lab (FabLab) der School of Architecture nutzte Baharlou dieses 3Cavaliers-Stipendium, um ein additives Fertigungssystem für den 3D-Druck großer Strukturen zu entwickeln. Das Herzstück des Fabrikationssystems ist ein Industrieroboter mit einer Reichweite von 3 bis 4 Fuß, der Materialien auftragen kann, die auf die vom Architekten gewünschten Ziele für eine Struktur, wie Raum, Funktion und Geometrie, zugeschnitten sind. Baharlou modifizierte dieses System, um einen Drucker zu entwickeln, der einen Extruder mit einem Industrieroboterarm kombiniert, um die Experimente zur Bodenstruktur durchzuführen.

Kürzlich erhielten Ma und Baharlou zusammen mit Tomonari Furukawa, UVA-Professor für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik, ein 3Cavaliers-Stipendium für ihre Forschung im Bereich ökologisches Bauen. Sie haben vor, Baharlous 3D-Drucksystem auf einem fahrenden Roboter zu installieren. Eine mobile Plattform könnte den 3D-Druck mehrseitiger, komplexer Strukturen wie etwa einer Serpentinenwand ermöglichen. Baharlou und Ma experimentieren auch mit anderen biologisch abbaubaren Materialien wie Hanf.

“Das Team im Büro des Vizepräsidenten für Forschung hat maßgeblich dazu beigetragen, die Zusammenarbeit zwischen Architekten und Ingenieuren zu fördern”, so Baharlou. “Unsere gemeinsamen Projekte zeigen nicht nur, wie lokale Materialien verwendet werden können, sondern sorgen auch für eine bessere Bauqualität bei Gebäuden, die in einem sehr schnellen Tempo hergestellt werden. Unsere disziplinübergreifende Integration ist hilfreich für die Gesellschaft und die Menschheit, indem sie die Anwendungen biobasierter Materialien vorantreibt”.

Ein Vorteil der 3Cavaliers-Stipendien ist der Demonstrationseffekt, der es den Forschern ermöglicht, Daten zu sammeln und Prototypen zu bauen, um Auszeichnungen von großen Förderorganisationen wie der National Science Foundation zu erhalten. Ma, Baharlou und Carr sind optimistisch, was die Verfolgung dieses Forschungsprogramms angeht. Zu den nächsten Schritten gehört die Formulierung von Bodentinten für ein größeres Bauwerk, das vielleicht ein Stockwerk hoch ist, da sie davon ausgehen, dass diese größere Dimension Probleme wie Bodenrisse noch verschärfen wird. Außerdem experimentieren sie mit mehreren Materialien, die in einer Wandplatte geschichtet werden, um die Innenwand zu isolieren und die Feuchtigkeit in der Außenwand zu halten.

“Unabhängig vom Material – Kunststoff, Metall, Ton, Erde oder Pflanzen – handelt es sich letztlich um ein Materialproblem”, so Ma. “Der additive Fertigungsprozess schafft Unsicherheiten und Möglichkeiten innerhalb des Materialsystems, mit dem man arbeitet, die sich von denen konventioneller Systeme unterscheiden. Man kann dies auf verschiedene Weise angehen. Man kann versuchen, sie zu vermeiden und Angst davor zu haben. Oder man kann versuchen, es zu kontrollieren und zu seinem Vorteil zu nutzen. Das ist das langfristige Ziel unseres Forschungsprogramms.”

Die vollständige Studie finden Sie hier.

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