Es mag an der Assoziation mit antiken Möbeln oder gemütlichen Kaminfeuern liegen, dass der Holzforschung der Ruf anhaftet, altmodisch zu sein. Wer auf dem Gebiet arbeitet, hört oft Sprüche wie »Das geht doch gar nicht mit Holz!«. Vielleicht zollen wir diesem Naturstoff auch zu wenig Wertschätzung, weil er so allgegenwärtig ist. Doch »auf dem Holzweg« sind die Forschenden keineswegs. Denn was man mit und aus Holz so alles machen kann und welche technischen Erfindungen der Werkstoff inspiriert, ist nichts weniger als erstaunlich.

So kann man aus Holz fast beliebig hohe Häuser bauen: Deutschlands höchstes Holzhaus steht in Hamburgs HafenCity, heißt »Roots« und ist ein 18-stöckiger Wohnblock mit 65 Metern Höhe. Der Verfahrenstechnologe und Holzforscher Andreas Krause kennt auch keine mechanisch bedingte Bauhöhenbegrenzung. »Holz mangelt es dafür nicht an Festigkeit«, stellt der Leiter des Thünen-Instituts für Holzforschung klar. Den weltweiten Höhenrekord für Holzhäuser hält derzeit der knapp 86 Meter hohe »Mjøstårnet« im norwegischen Brumunddal. Aber wesentlich höhere Highend-Bauwerke aus Holz sind schon in Planung.

Möglich ist das, weil Holz bereits von Natur aus ein Hightech-Produkt ist – ein ausgeklügeltes Kompositmaterial, raffinierter konstruiert als jeder menschengemachte Verbundstoff. Sein wichtigster Inhaltsstoff ist Zellulose, ein langes Kettenmolekül aus Zucker, aus dem Holz grob zur Hälfte besteht. Es ist der Hauptbestandteil aller pflanzlichen Zellwände und das häufigste organische Material der Erde. Doch Holz besteht noch aus zwei weiteren Hauptsubstanzen: »Hemizellulose«, ein Sammelbegriff für alle restlichen aus Zuckerbausteinen bestehenden Kettenmoleküle in Pflanzenzellen, und dem unter anderem aus Benzolringen bestehenden Lignin.

Die Eigenschaften des Holzes besser nutzen

Lignin ist das zweithäufigste Material im Holz und macht – je nach Baumart – immerhin 15 bis 30 Prozent der Holzmasse aus. Es macht Holz zu einem harten Material und bestimmt die Druckfestigkeit pflanzlicher Gewebe. Zellulose liefert hingegen die Zugfestigkeit: Die reißfesten, biegsamen Zellulosefasern sind von dem dichten, starren Lignin umgeben – ähnlich, wie im Stahlbeton die Stahlarmierungen mit dem künstlichen Stein verkittet sind. Aus diesem Stoff besteht die Struktur des Holzes, die jedoch je nach Baumart sehr unterschiedlich sein kann: Die Bandbreite reicht vom extrem harten und dichten Eisenholz bis hin zum weichen, leichten Balsa.

»Holz ist zwar ein Hightech-Material, aber lange gab es zu wenig Hightech, um mit seiner Komplexität oder Vielseitigkeit gut umzugehen – weltweit gibt es über 70 000 verschiedene Baumarten mit unterschiedlichen Eigenschaften«, erklärt Krause. »Insofern hatten sich viele andere Materialien durchgesetzt, die homogener und damit leichter zu handhaben sind.« Das soll sich ändern. Sein Institut arbeitet an Lösungen für eine nachhaltige sowie innovative Verwendung von Holz.

Auch andere Arbeitsgruppen versuchen, den seit Jahrtausenden bekannten Eigenschaften des Werkstoffes einen neuen Dreh zu geben. So nutzt ein Stuttgarter Forschungsteam die Eigenschaft, dass Holz »atmet«: Es kann Feuchtigkeit aus der Luft aufnehmen und wieder abgeben. Auf Basis dieses Quellens und Schrumpfen konstruierte es ein Fassaden-Verschattungssystem, das sich automatisch an die Wetterbedingungen anpasst und dabei weder elektrische Energie noch komplexe Mechanik braucht. Es besteht aus unterschiedlich quellfähigen Holzschichten und funktioniert nach dem Prinzip von Kiefernzapfen, die sich je nach Luftfeuchtigkeit öffnen und schließen. Je nach Feuchtigkeit verkürzt sich eine Schicht mehr als die andere und zwingt die Doppelschicht zu einer Krümmung, was die Fassade öffnet oder schließt.

Die Eigenschaften des Holzes selbst lassen sich zudem gezielt verbessern. So gab 2018 ein amerikanisches Forschungsteam an, dass es Holz mithilfe von Chemikalien, Hitze und Druck in einen Superwerkstoff wandeln könnte, der viel fester und dabei leichter als Stahl sei. Derartige Verfahren sollen Holz eine ganze Reihe von neuen Hightech-Anwendungsmöglichkeiten eröffnen, vom verbesserten Baumaterial hin zu medizinischen Wundklebern und sogar transparentem Holz für Gebäude und Solarzellen.

Wie KI das Bauen mit Holz verbessern soll

Bisher allerdings liegt ein wichtiges Augenmerk darauf, ganz normales Holz im Bauwesen effizienter und auf neue Weise zu nutzen. Immer wichtiger werde dabei auch die Rolle der künstlichen Intelligenz, beobachtet Thünen-Forscher Krause. So könne KI die individuellen Eigenschaften eines Holzbauteils und seine optimale Positionierung errechnen. Das soll einen zentralen Nachteil des Naturmaterials wettmachen: »Wer Stahl einsetzt, verlässt sich auf die Angaben im Datenblatt und kann damit rechnen beziehungsweise planen. Aber bei Holz ist jedes Stück anders«, wie der Holzforscher erläutert. »Da sind die meisten Angaben Mittelwerte, die im Naturmaterial extrem schwanken können. Schaue ich ein Holzhaus an, ist es immer hoffnungslos überdimensioniert, weil man ja nicht weiß, ob nicht eine Reihe schwächerer Stücke Holz dabei sind.«

Jedes Stück physikalisch zu untersuchen und dann alles auszuwerten wäre viel zu komplex und aufwändig. Aber KI könne das Problem lösen, sagt der Leiter des Thünen-Instituts. Sie würde jedes Stück Holz nach seiner individuellen Qualität optimal einsetzen. »So erhält man besonders herausragende Eigenschaften mit wenig Material, was im Leichtbau ja die Definition von Hightech ist.« Insofern sei Holz auch im Bauwesen der kommende Hightech-Werkstoff, davon ist der Holzforscher überzeugt.

Holz gilt zwar als nachhaltig, dennoch stehen wir im Konflikt, den extremen Bedarf an nachwachsenden Rohstoffen zu decken und gleichzeitig unsere Wälder als CO₂-Senken zu bewahren. Bei der Holzproduktion ist Entwaldung besonders in den Tropen ein großes Problem – das womöglich noch wächst, wenn die Nachfrage durch neue Techniken anzieht. Das Thünen-Institut betreibt deswegen eines der weltweit wenigen Labore, die Holzarten in Papier und anderen faserförmigen Werkstoffen automatisiert aufschlüsseln können. Auch hier sind Maschinenlern-Techniken entscheidend.

Das KI-basierte System analysiert unterm Mikroskop in Wasser aufgeweichte Zellen und identifiziert Strukturen, die die jeweilige Holzart verraten. So gibt die KI beispielsweise an, aus welchen Regenwaldbaumarten ein Papier tatsächlich produziert wurde. Das Ziel hier: entwaldungsfreie Produkte und nachhaltige Lieferketten.

Die Natur als Vorbild für neue Werkstoffe

Doch was, wenn man Holzeigenschaften mit anderen Materialien nachbauen könnte – und so die Nachfrage begrenzt? »Go beyond biology!«, lautet ein Leitspruch der Exzellenzinitiative BlueMat unter Federführung der Technischen Universität Hamburg und der Universität Hamburg, wo ein interdisziplinäres Team mit Materialwissenschaftlerinnen und Materialwissenschaftlern neue Spitzenmaterialien erschaffen will. Die Bionikerin und Holzphysikerin Linnea Hesse wurde an die Uni Hamburg berufen, um unter anderem den Einfluss von Wasser in Holz zu untersuchen.

Als Abteilungsleiterin der Bionik will sie ergründen, wie Wasser dem Holz spezielle Eigenschaften verleiht, um die Erkenntnisse für andere Bereiche nutzbar zu machen. Im Fokus stehen ebendas selbstständige Quellen und Schrumpfen des Holzes, das hinter der smarten Fassadendämmung aus Stuttgart steckt. Doch hier soll das Holz vor allem Vorbild sein: »Wir können weiter gehen als in der Natur und Eigenschaften von Pflanzen und Tieren in ganz neuen Materialien kombinieren.« Dafür sind die von der Umwelt getriebenen Veränderungen des Holzes besonders spannend, denn sie können solche Stoffe zu aktiv reagierenden Werkstoffen machen. »Es braucht letztlich nur einen Reiz und ein reizbares System«, sagt die Forscherin. Reizgetriebene Bewegungen wie das Quellen und Schrumpfen des Holzes könnten beispielsweise der Robotik nützen, wenn sich Roboter eigenständig in Abhängigkeit von äußeren Stimuli bewegen sollen.

»Wer Stahl einsetzt, verlässt sich auf die Angaben im Datenblatt und kann damit rechnen beziehungsweise planen. Aber bei Holz ist jedes Stück anders«Andreas Krause, Thünen-Institut

Die Hamburger Holzphysikgruppe durchleuchtet die Wasserausbreitung in Holz mit Prüfverfahren wie Computertomografie und MRT. Holz zeigt abgesehen vom Quell-Schrumpf-Mechanismus noch weitere Phänomene, die es mit physikalischen Methoden ebenfalls zu entschlüsseln gilt. Beispielsweise ändert sich die Steifigkeit der Zellwände, wenn Wasser hinein- oder hinausläuft.

»Sobald wir alle Funktionsprinzipien verstehen, können wir diese zum Beispiel per 3-D-Druck in ein anderes Material übertragen, das auf Feuchtigkeit, Temperatur oder elektrische Reize reagiert«, erklärt Linnea Hesse. Das, so ein aktuelles Konzept des BlueMat-Teams, ließe sich vielleicht zur Energiegewinnung nutzen. Die Wissenschaftler stellen sich vor, dass der Tidenhub am Hamburger Hafen die Batterie eines unter anderem von Holz inspirierten Energiespeichers aufladen kann: Das Wasser soll periodisch mit Ebbe und Flut durch bloß nanometergroße Passagen der noch zu erschaffenden Materialschöpfung eindringen und wieder ausströmen und dabei elektrochemische Reaktionen auslösen.

Lignin, der widerspenstige Rohstoff

Spannend findet die Holzphysikerin außerdem, wie sich die Denkweise in der Holzforschung gewandelt hat: »Jahrzehntelang wurde daran geforscht, die Dynamik des Holzes zu verhindern. Denn wenn wir Holz im Bauwerk nutzen, wollen wir, dass es immer statisch konstant funktioniert. Aber dieses Umdenken – diese dynamischen Eigenschaften von Holz anwendbar zu machen –, ist neu und erweitert, wie wir das Material Holz nutzen können.«

Das gilt nicht nur für den Werkstoff selbst, sondern auch für seine Bestandteile, vor allem für »Abfallstoffe« der holzverarbeitenden Industrie. So braucht man, um Zellstoff und Papier herzustellen, lediglich die Zellulose. Das Lignin hingegen ist unerwünscht, weil es zu Vergilbung beiträgt. Es muss daher aufwändig in einem chemischen Prozess aus dem Holz herausgelöst werden. Und danach ist es Abfall, bisher jedenfalls.

Eine US-amerikanische Arbeitsgruppe schätzte im Jahr 2019 die weltweite Ligninproduktion auf 100 Millionen Tonnen pro Jahr. Weniger als zwei Prozent seien zur Herstellung von Klebstoffen, Tensiden und Dispergiermitteln verkauft worden. Der Großteil endet als »minderwertiger« Brennstoff zur Erzeugung von Strom und Wärme. Doch im Grunde ist das Verschwendung. Denn Lignin taugt für wesentlich mehr.

Entsprechend erlebte die Ligninforschung Anfang des 21. Jahrhunderts weltweit einen Aufschwung, auch dank der Förderungen von Biokraftstoffen und nachhaltiger Ressourcennutzung. Wie groß das Potenzial des Materials ist, demonstrierte ein kanadisch-koreanisches Wissenschaftlerduo 2020 in einem Übersichtsartikel über aktuelle Forschungsprojekte.

Holz in seine Bestandteile zerlegt

Demnach ist Lignin dank seiner antioxidativen und antibakteriellen Eigenschaften sehr attraktiv für medizinische Zwecke – zum Beispiel für Wundauflagen und Pharmazeutika. Studien zeigten etwa, dass Hydrogele mit Lignin große Mengen Wasser aufnehmen und helfen, unerwünschte Stoffwechselprodukte aus Wunden zu entfernen. Lignin könne anderen Studien zufolge auch als Adsorptionsmittel für Pharmazeutika verwendet werden. Forschungsgruppen erproben sogar die Herstellung von Batteriematerialien und Superkondensatoren auf Ligninbasis. Andere Studien zeigten, dass die Ligninzugabe zu Kunststoffen für den 3-D-Druck umweltfreundlichere und kostengünstigere Materialien erschaffen kann, die zudem bessere Eigenschaften hätten.

Doch trotz des großen Potenzials gibt es auch heute kaum Unternehmen, die ligninbasierte Produkte auf dem Weltmarkt anbieten. Einer der wichtigsten Gründe: Lignin ist sehr komplex aufgebaut. Dadurch ist es schwierig, eine einheitliche Struktur und Qualität der Endprodukte sicherzustellen – zumal diese in Extraktionsverfahren meist stark verändert wird.

An diesem Problem arbeitet der Biotechnologe Holger Klose. Er leitet am Forschungszentrum Jülich die Abteilung Alternative Biomassen und untersucht mit seinem Team Lignin auf Molekülebene. Dabei geht es auch darum, wie man den widerspenstigen Naturstoff schon beim Abtrennen von der Zellulose gezielt in ein wertvolles Ausgangsmaterial verwandelt. Denn die Bestandteile des Holzes lassen sich nur schwer voneinander trennen.

Um Lignin aus der Holzmasse zu extrahieren, nutzt sein Team sogenannte Organosolv-Prozesse. Mit chemischen Lösungsmitteln kocht man dabei die kleingehäckselte Holzbiomasse zusammen mit speziellen Katalysatoren in einem Hochdruckreaktor bei 100 bis 200 Grad Celsius aus, um Zellulose, Hemizellulose und Lignin gesondert aus der Biomasse herauszulösen. »Das ist ähnlich zu den konventionellen Prozessen bei der Zellstoffherstellung«, erläutert der Biotechnologe.

Ein Rohstoff für die chemische Industrie

Allerdings gibt es sehr viele verschiedene Varianten von solchen Prozessen, und je nachdem, wie sie chemisch oder physikalisch funktionieren, entsteht aus dem im Holz gebundenen Lignin ein etwas anderer Stoff. Mit einer bestimmten Konfiguration erhält das Jülicher Forschungsteam wenig veränderte Lignine, in denen noch sehr viele begehrte chemische Funktionalitäten erhalten sind. Andere Prozessvarianten sollen geeignete Ausgangsmaterialien für verschiedenste Anwendungen liefern: Manche Kollegen interessieren beispielsweise nur ganze Fasern, mit denen man durch das Elektrospinnverfahren lange Nanodrähte herstellt.

Unter anderem kann das Lignin auch chemisch aufgebrochen werden, sodass kleine Moleküle wie aromatische Kohlenwasserstoffe entstehen – ein wichtiges Ausgangsmaterial für die chemische Industrie. Normalerweise stammen diese Stoffe aus Erdöl, das bisher immer verhältnismäßig billig und konkurrenzlos war. »Aber jetzt werden die Polyphenole in Lignin attraktiver wegen ihrer antioxidativen Wirkung und weiteren spannenden Eigenschaften wie Geruchsabsorption oder UV-Schutz. Da sind viele Anwendungen denkbar, zum Beispiel in Kosmetika oder Medizinprodukten oder Spezialtextilien«, sagt Holger Klose.

Mit dieser Bandbreite an möglichen Anwendungen und Werkstoffen verweist die heutige Holzforschung auf die Anfänge der Menschheitsgeschichte. Schon vor Jahrtausenden lieferte das Hightech-Material aus der Natur Brennstoff, Zeltstangen und Werkzeuge. Heute peilen Fachleute Batteriematerialien, smarte Werkstoffe und Wolkenkratzer an – zusätzlich zum Holz, das schon jetzt den Alltag prägt, als Schreibtisch und im Papier darauf. Wenn sich die Visionen der Fachleute erfüllen, wird Holz so im 21. Jahrhundert wieder das, was es für die Menschheit schon einmal war: ein Universalmaterial, das aus der Energiegewinnung ebenso wenig wegzudenken ist wie aus Technik, Konstruktion und dem Alltag.