Vom Insektenpanzer zum Baumaterial: Bioinspirierte Werkstoffe aus Chitin

In einem neuen, institutsübergreifenden Forschungsprojekt entwickelt die Universität Stuttgart intelligente Werkstoffe für den Bausektor. Im Fokus stehen Materialien für Spezialanwendungen auf biologischer Basis. Als Ausgangsstoff dient Chitin, das aus Insektenpanzern gewonnen wird. Damit es in additiven Fertigungsverfahren, z. B. im 3D-Druck, eingesetzt werden kann, forscht Dr. Linus Stegbauer vom Institut für Grenzflächenverfahrenstechnik und Plasmatechnologie (IGVP) daran, den Werkstoff zu einer gießfähigen Masse zu verarbeiten. Das Vorhaben wird von der Carl-Zeiss-Stiftung mit insgesamt zwei Millionen Euro gefördert.

In einem institutsübergreifenden Forschungsprojekt entwickelt ein interdisziplinäres Team der Universität Stuttgart unter Leitung von Prof. Dr. Sabine Laschat vom Institut der Organischen Chemie neuartige Baustoffe für Spezialanwendungen auf Basis des Biopolymers Chitin, dem Hauptbestandteil des Exoskeletts von Insekten und Krustentieren. Aufgrund ihrer speziellen Struktur und Eigenschaften bieten die daraus gewonnenen Materialien eine ganze Reihe von Vorteilen: Sie könnten den Energieverbrauch von Gebäuden senken, sind feuerfest und resistent gegen Schimmel, mechanisch robust und obendrein auch noch umweltfreundlich, da biogen und kompostierbar.

Das Team um Dr. Linus Stegbauer vom Institut für Grenzflächenverfahrenstechnik und Plasmatechnologie (IGVP) steuert seine Expertise im Bereich der bioinspirierten Materialwissenschaft bei und übernimmt die Aufgabe, das Chitin so zu verarbeiten, dass es in der additiven Fertigung eingesetzt werden kann. »Der Ausgangsstoff für die neuen Baumaterialien ist eine gießfähige, harzartige Masse auf Wasserbasis“, erklärt Stegbauer, Leiter der Arbeitsgruppe Chemie bio-inspirierter Strukturmaterialien des IGVP und Mit-Antragssteller bei der Carl-Zeiss-Stiftung. »Unsere Aufgabe im Rahmen des Projekts ist die Verarbeitung bzw. Prozessierung des Chitins oder von Chitin-Derivaten zu eben diesem ‚Harz‘ in Wasser. Im wässrigen Zustand – als eine Art Hydrogel − lässt sich das Material dann mithilfe der 3D-Druck-Technologie in die gewünschte Form bringen. Für den Druck muss es zunächst fließ- und gießfähig sein, durch einen kontrollierten Entzug des Wassers härtet es danach aus.«

Je nach Verarbeitung kann das Material neben den bereits genannten Vorteilen auch noch mit weiteren speziellen Eigenschaften ausgestattet werden. »Dazu wird Wasser im Zuge des Trocknungsprozesses nach und nach durch andere Inhaltsstoffe ersetzt. Dieser Prozess läuft auch beim Wachsen von Biomineralien, z. B. unseren Zähnen, in der Natur ab.«, so Stegbauer. »Eine ‚Mineralisierung‘ in dem Material durch die Beifügung von anorganischen Komponenten kann beispielsweise die Entflammbarkeit des Materials herabsenken. Oder die Einbettung von (ebenfalls biogenen) Faserstrukturen kann die mechanischen Eigenschaften optimieren, sodass das Endprodukt z. B. besonders tragfähig ist.« Grundsätzlich soll das Material langfristig stabil sein, es soll sich aber unter bestimmten Umgebungsbedingungen auch auf biologische Weise abbauen lassen, sodass es besonders umweltfreundlich ist.

Abhängig von der Art der Zusätze – etwa Mineralien oder Fasern – lassen sich unterschiedliche Materialien für spezielle Anwendungen herstellen. Das Projekt der Universität Stuttgart zielt dabei konkret auf den Bausektor ab. Hier ist der Bedarf an innovativen Materialien enorm, denn der Bereich Bauen und Wohnen verursacht ein beträchtliches Maß an CO₂-Emissionen und Abfall in Form von Bauschutt. Durch den Einsatz aus biogenen Ressourcen hergestellter und biologisch abbaubarer Baustoffe, die darüber hinaus auch noch praktische Eigenschaften wie etwa eine gute Dämmleistung aufweisen, ließe sich diese Umweltbelastung erheblich reduzieren. Denkbar sind jedoch auch Anwendungsmöglichkeiten in anderen Branchen – etwa mit Blick auf Werkstoffe für die Automobilindustrie.

Auch bei der Herkunft des Chitins sind die am Projekt beteiligten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler flexibel. Da die industrielle Insektenzucht ein wachsender Sektor ist – Insekten werden etwa als Futtermittel oder als Proteinquelle für die Lebensmittelindustrie oder andere Branchen vermehrt gezüchtet – ist dieser Bereich eine naheliegende und gleichzeitig sehr ergiebige und lokale Quelle für das benötigte Biopolymer. Chitin kommt aber nicht nur im Exoskelett von Insekten vor, sondern z. B. auch in den Schalen von Krebstieren oder im Mycel und Zellwänden von Pilzen, die somit ebenfalls als Rohstofflieferant in Betracht kommen. Bei der Identifikation von geeigneten Chitinquellen und der nachfolgenden Prozessierung arbeitet das IGVP auch mit Dr. Thomas Hahn und Dr. Susanne Zibek des Fraunhofer-Instituts für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB zusammen. Die beiden Wissenschaftler beschäftigen sich bereits seit Jahren mit der Chitingewinnung und -verarbeitung und besitzen dementsprechend eine große Expertise, die durch die enge Vernetzung auch dem IGVP zu Gute kommt. Dessen Institutsleiter Prof. Dr. Günter Tovar ist kooperierender Wissenschaftler im Verbund: »Unsere ausgeprägte Expertise in der Formgebung Chito-basierter Materialien durch unsere Nano- und Mikropartikeltechnologie gibt eine bereichernde technologische Basis für das Verbundvorhaben.«

Für die Entwicklungsarbeit haben sechs Institute der Universität Stuttgart ihre Kompetenzen gebündelt und gemeinsam eine Förderung durch die Carl-Zeiss-Stiftung beantragt, die im September 2020 schließlich bewilligt wurde. Das Spektrum der involvierten Fachbereiche reicht von der Architektur, über die Materialwissenschaft und das Bau- und Ingenieurwesen bis hin zu Chemie und Biologie. Die Arbeit des institutsübergreifenden Forschungsteams reicht von der Grundlagen- bis zur anwendungsorientierten Forschung. So gehen die Forschenden der Frage nach, welche Inhaltsstoffe (wie die genannten Mineralien) beizufügen sind, um dem Material die gewünschten spezifischen Eigenschaften zu verleihen. Auch die feine Balance beim langsamen Austausch des Wassers im Material durch andere Inhaltsstoffe ist eine wichtige Stellschraube, die noch umfassende Untersuchungen notwendig macht. Ziel des Projekts ist die Herstellung von Prototypen zur Demon­stration durch die beteiligten Architekten.

Die Gesamtleitung liegt in den Händen von Prof. Dr. Sabine Laschat vom Institut für Organische Chemie. Gefördert wird das Vorhaben mit dem Titel »Chitinfluid – Chitin als Ressource für multifunktionale Werkstoffe via Wasser-basierter komplexer Fluide« durch die Carl-Zeiss-Stiftung im Rahmen der Programmlinie »Perspektiven« mit insgesamt zwei Millionen Euro.