Kaktusabfall als nachhaltiger Baustoff

Auf Baustellen denkt man normalerweise nicht an Kakteen. Dennoch gehen Ingenieure davon aus, dass Reststoffe aus dem Anbau von Feigenkakteen eine sauberere und kostengünstigere Möglichkeit zur Herstellung von Baumaterialien bieten könnten.

Zunächst wirkt dieser Ansatz vielleicht ungewöhnlich. Er verweist jedoch auf ein tatsächliches Problem der Baubranche.

Viele heutige Baustoffe sind leicht und langlebig – genau deshalb kommen sie so häufig zum Einsatz.

Ihre Produktion verbraucht allerdings große Energiemengen, und am Ende ihrer Nutzungsdauer lassen sie sich oft nur schwer recyceln. Ein großer Teil dieser Abfälle kann zudem jahrzehntelang bestehen bleiben.

Vom Kaktusabfall zum Baumaterial

Forschende untersuchen inzwischen pflanzliche Alternativen, die ähnliche Aufgaben übernehmen können, ohne dabei so viele Schadstoffe zu verursachen. Im Mittelpunkt steht derzeit landwirtschaftlicher Abfall von Feigenkakteen.

Im Inneren der flachen Kaktusglieder befindet sich ein Geflecht natürlicher Fasern, das in der Pflanze bereits eine wichtige Funktion erfüllt. Diese Fasern helfen dem Kaktus, aufrecht zu bleiben und starken Winden in trockenen Klimazonen standzuhalten.

Die Forschenden vermuten, dass diese Strukturen künftig Bauprodukte verstärken könnten.

Der Hauptautor der Studie, Matt Hutchins, ist Experte am Fachbereich Maschinenbau der University of Bath.

„Im Inneren der flachen Kaktusglieder befindet sich ein natürlich vorkommendes Fasernetzwerk. Diese Fasern bilden eine wabenartige Struktur, die der Pflanze hilft, ihr eigenes Gewicht zu tragen und dem Biegen bei starken Winden zu widerstehen“, sagte Hutchins.

„Wir untersuchen, wie sich diese Strukturen extrahieren und intakt erhalten lassen, um ihre natürlichen Eigenschaften zur Verstärkung biobasierter Verbundwerkstoffe zu nutzen.“

Warum Kaktusabfall wichtig ist

Natürliche Fasern sind im Ingenieurwesen nichts Neues. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler haben bereits mit Flachs, Hanf und anderen Pflanzen als Ersatz für synthetische Materialien experimentiert.

Das Problem besteht darin, dass der Anbau dieser Kulturen weiterhin Ackerflächen, Wasser, Pestizide und Düngemittel benötigt. Die Nutzung entsorgten Kaktusmaterials verändert diese Ausgangslage.

Der Feigenkaktus, wissenschaftlich als Opuntia ficus-indica bezeichnet, wächst schnell und gedeiht in heißen, trockenen Regionen, in denen viele andere Nutzpflanzen Schwierigkeiten haben.

Bei der Lebensmittelproduktion oder um eine zu starke Ausbreitung der Pflanzen zu verhindern, schneiden oder entfernen Landwirte häufig große Mengen Kaktusmaterial. Dieser Abfall besitzt gewöhnlich kaum einen Wert.

Nachhaltige Baustoffe aus Feigenkakteen

Da die Klimabedingungen in vielen Weltregionen heißer und trockener werden, dürfte sich der Feigenkaktus auch in weitere Gebiete ausbreiten.

Dadurch könnte ein noch größeres Angebot an ungenutzten Pflanzenresten entstehen.

„Obwohl die Vorteile nachhaltiger, biobasierter Materialien gut bekannt sind, ist ihr Einsatz im Bauwesen weiterhin begrenzt“, sagte Dr. Fulvio Pinto, der die internationale Zusammenarbeit hinter dem Projekt leitet.

„Wir hoffen, dass wir durch die Einbindung regional gewonnener oder kulturell bedeutsamer Pflanzen nicht nur den gebundenen Kohlenstoff in Baumaterialien verringern, sondern auch die Verbreitung natürlicher Materialien in zivilen Anwendungen steigern können.“

Starke Fasern aus einem Kaktus gewinnen

Kaktusabfall in ein nutzbares Material zu verwandeln, ist nicht so einfach, wie ein Kaktusglied aufzuschneiden und es mit Kunststoff zu vermischen.

Zunächst mussten die Forschenden herausfinden, wie sich die Fasern entfernen lassen, ohne die natürliche Wabenstruktur zu zerstören, die ihnen ihre Festigkeit verleiht.

Das Team erprobte zwei Extraktionsverfahren. Eines davon war die Wasserröste, ein Verfahren, das Menschen seit Jahrhunderten bei Flachs anwenden.

Dabei liegt Pflanzenmaterial mehrere Wochen im Wasser, während das weichere Gewebe langsam zerfällt und die Fasern zurückbleiben.

Optimierung des Extraktionsverfahrens

Beim zweiten Verfahren wurde weiches Material mithilfe wechselnden Wasserdrucks deutlich schneller ausgewaschen. Dadurch verkürzte sich die Bearbeitungszeit um etwa 90 Prozent. Geschwindigkeit war jedoch nicht alles.

Die langsamere Wasserröste lieferte sauberere und festere Fasern mit weniger Rückständen, welche das Endmaterial schwächen könnten.

Zudem stellten die Forschenden fest, dass ältere Kaktusglieder besser geeignet waren als jüngere, weil ihre Fasern fester waren und sich leichter trennen ließen.

Das ist bedeutsam, da die Festigkeit des fertigen Verbundwerkstoffs stark davon abhängt, wie unversehrt die Fasern während der Verarbeitung bleiben.

Mögliche Anwendungen im Alltag

Als die Forschenden die Kaktusfasern Kunststoffen beimischten, überraschten sie die Ergebnisse. Das Material wurde steifer und fester als jeder der beiden Bestandteile für sich allein, insbesondere bei Biegung und leichten Stößen.

Mit Kohlenstofffasern können diese Verbundwerkstoffe in Situationen mit hoher Belastung weiterhin nicht konkurrieren. Sie sind weder für Flugzeugteile noch für schwere tragende Konstruktionen vorgesehen.

Für zahlreiche Alltagsanwendungen, bei denen geringe Kosten und eine niedrige Umweltbelastung wichtiger sind als maximale Festigkeit, könnten sie jedoch gut geeignet sein.

Zu den möglichen Einsatzbereichen zählen leichte Wandpaneele, Verkleidungen, Bauteile für Fahrzeuginnenräume sowie Sportausrüstung wie Surfboard-Kerne.

Ein Material mit optischer Wirkung

Nach Angaben der Forschenden ist das Material auch optisch ansprechend, weil das natürliche Wabenmuster des Kaktus nach der Verarbeitung sichtbar bleibt.

„Abgesehen von der mechanischen Steifigkeit sind diese Verbundwerkstoffe ästhetisch sehr ansprechend, da die natürliche Wabenstruktur des Kaktus im Endprodukt weiterhin sichtbar ist“, sagte Omar Elhawary, der die Zug- und Biegeeigenschaften des Materials untersucht.

„Die optische Wirkung der Forschung hat bereits öffentliche Aufmerksamkeit erregt; ein Bild des kaktusverstärkten Verbundwerkstoffs wurde im vergangenen November im Rahmen des Universitätswettbewerbs ‚Images of Research‘ außerhalb des Bahnhofs Bath Spa gezeigt und verdeutlichte das Zusammenspiel von Ingenieurwesen und nachhaltiger Kunst.“

Der Weg zu umweltfreundlicherem Bauen

Das Bauwesen verursacht einen erheblichen Anteil der weltweiten Kohlenstoffemissionen. Ein großer Teil davon entsteht nicht nur beim Betrieb von Gebäuden, sondern bereits bei der Herstellung der für ihren Bau verwendeten Materialien. Ingenieurinnen und Ingenieure bezeichnen dies häufig als gebundenen Kohlenstoff.

Deshalb suchen Forschende weltweit nach Alternativen aus erneuerbaren Rohstoffen oder Abfallmaterialien.

Einige Teams experimentieren mit Dämmstoffen auf Pilzbasis, Bambuskonstruktionen, recycelten Kunststoffen und Pflanzenfasern.

Kaktus-Verbundwerkstoffe sind Teil dieser breiteren Entwicklung.

Künftige Forschungsrichtungen

Das Forschungsteam will weiterhin prüfen, wie gut Kaktusfasern mit Baupolymeren verbunden werden und wie sich die Materialien unter Zugbelastung oder Biegung unter Druck verhalten.

Außerdem erforscht es Herstellungsverfahren, die künftig im industriellen Maßstab einsetzbar sein könnten.

Wenn die Technologie erfolgreich ist, könnten künftige Gebäude unauffällig Bauteile enthalten, die aus einer Pflanze hergestellt wurden, die viele Menschen eher mit Wüsten als mit Ingenieurlaboren verbinden.

Das Projekt gehört zu einem größeren Forschungsvorhaben in Verbindung mit dem Centre for Regenerative Design & Engineering for a Net Positive World und der Universität Catania auf Sizilien.

Die vollständige Studie erschien im Journal of Natural Fibers.