Holz als der wichtigste nachwachsende Rohstoff ist von der Natur nicht auf die Nutzung durch den Menschen abgestimmt, sondern bildet die optimale Anpassung des Baumes an seine natürliche Umgebung ab: Die Struktur ist bis in die kleinsten Elemente, die Holzfasern, daran angepasst. Deren Orientierung im Stamm führt zu der bekannten Anisotropie des Holzes. Als Anisotropie werden die Eigenschaften von Holz bezeichnet, die je nach Richtung unterschiedlich sind.
Holz ist auch ein hygroskopischer Werkstoff und steht als solcher in Wechselwirkung mit dem Wasserdampf aus der Luft: Es quillt und schwindet, landläufig spricht man vom »Arbeiten« des Holzes, und zwar je nach Schnittrichtung unterschiedlich stark. So stehen die jeweiligen Längenänderungen bei Buchenholz zum Beispiel in einem Verhältnis von etwa 1 : 16 : 32 zueinander (longitudinaler zu radialer zu tangentialer Schnittfläche). Während sich Holz in der Länge fast gar nicht ausdehnt (Faktor 1), ist die Ausdehnung zwischen Kern und Borke schon 16-mal so groß und im Anschnitt der Jahresringe beträgt die Ausdehnung sogar das 32-fache.
Längenänderungen als Motor
Wie könnte man sich die natürliche Ausdehnung des Holzes als stark wirkende Kräfte zunutze machen? Analog zu der Verwendung von Bimetallen, die mit ihrer unterschiedlichen Ausdehnung Veränderungen der Temperatur anzeigen, lässt sich auch aus Holz ein sogenannter Bilayer als Indikator für Veränderungen der Feuchte herstellen. Zu diesem Zweck wird das Holz in verschiedenen Schnittrichtungen aufgetrennt und anschließend miteinander verklebt. Es entsteht ein zweilagiger Streifen mit einer sperrenden Schicht aus Holz mit longitudinaler Orientierung und einer aktiven Schicht aus stark »arbeitendem« Holz mit radialer Orientierung. Das so entstehende Element vereint sowohl Sensor- als auch Motorfunktion:
- Die Sensorfunktion zeigt eine Änderung der Luftfeuchtigkeit an, und zwar in wechselseitiger Beziehung (Korrelation) zwischen Luftfeuchte
und Holzfeuchte - Als Motorfunktion wirkt die Biegung des Bilayers, fachsprachlich auch als Aktuation des Holzes bezeichnet
Natürliche Kräfte nutzen
Mit der zunehmenden Fokussierung der Forschung auf die Verwendung von Holz als Bau- und Werkstoff können zukünftig weniger nachhaltige Materialien substituiert, also durch Holz ersetzt werden. Eine technische Anwendung des beschriebenen Bilayers könnte zum Beispiel in einem selbstregulierenden Beschattungssystem oder in einer Steuerung zum Öffnen und Schließen von Fenstern oder Lüftungsklappen liegen. Bis das allerdings soweit ist, gibt es noch einiges zu erforschen.
So ist eine wesentliche Problemstellung innerhalb des neuen Forschungsvorhabens am Institut für Holztechnologie Dresden gGmbH (IHD) etwa die Erhöhung der Bewegungsrate und -geschwindigkeit, ohne dabei die Funktionalität des Bilayers als Motor einzuschränken. Dazu muss die Feuchteänderungsrate der aktiven Schicht verändert oder die gesamte Wasseraufnahmemenge erhöht werden. Bisherige Forschungsergebnisse deuten auf eine vorwiegende Wasseraufnahme über die Querschnittsfläche mit den offenen Poren hin. Eine Vergrößerung der Oberfläche durch teilweises mechanisches Perforieren ist hier ein vielversprechender Lösungsansatz. Auf diese Weise erwarten die Forschenden, im Bilayer die Ausgleichsfeuchte schneller zu erreichen, sodass sich auch der »Motor« schneller aktiviert.
Ein zweiter Ansatz liegt in der Veränderung der Ausgleichsfeuchte durch gezielte chemische Veränderung zur Erhöhung der wasseranziehenden Eigenschaften des Holzes (Hydrophilie). Diese möchten die Forschenden durch Salzbehandlung, Sulfonierung oder Ozonierung erhöhen. Ebenso würde eine partielle Entfernung des Holzbestandteils Lignin die Porosität der Zellwand steigern (Delignifizierung).
Von der Forschung zur Praxis
Beide Ansätze verfolgen das Ziel, größere Holzfeuchtedifferenzen bei gegebener Luftfeuchte im Vergleich zu unbehandeltem Holz zu erreichen. Als Messgröße für die Bewertung der Ergebnisse dienen die von der Zeit abhängige Holzfeuchteänderung sowie die Durchbiegung (Aktuationsrate) der Bilayer. Auf Basis der Ergebnisse der chemischen und mechanischen Probenbehandlung wird auch eine Kombination der verschiedenen Varianten Untersuchungsgegenstand sein. Entsprechende Applikationen sollen dann im Rahmen anwendungsorientierter Folgeprojekte oder Industrieforschungsvorhaben mit Partnern aus der Praxis realisiert werden.
Martin Hielscher vom Institut für Holztechnologie Dresden (IHD) ist Ansprechpartner für das Forschungsvorhaben »Motorholz«. Gefördert wird das Projekt vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz im Programm INNO-KOM. Projektträger ist die EuroNorm GmbH.
Sind 15 cm ein Muss?
