Neue Luft- und Raumfahrt- und Baumaterialien könnten sich dank Pilzen und Bakterien selbst reparieren

Forscher nutzen biologische Materie, um einzigartige neue Materialien zu schaffen, die sich an ihre Umgebung anpassen und sich selbst reparieren können.

Der Science-Fiction-Autor Arthur C. Clarke stellte treffend fest, dass „jede ausreichend fortgeschrittene Technologie nicht von Magie zu unterscheiden ist“.

Für Dr. Kunal Masania, außerordentlicher Professor für Luft- und Raumfahrtstrukturen und -materialien an der Technischen Universität Delft in den Niederlanden, hinterließ Clarke einen großen Eindruck.

„Dieses Thema hat mich schon immer sehr inspiriert“, erklärt Masania. „Durch meine Forschung versuche ich, eine Art Magie in das Leben der Menschen zu bringen. »

Lebende Materialien

Masania entwickelt sogenannte „lebende Materialien“ für den Luft- und Raumfahrt- und Transportsektor. Diese lebenden Materialien sind, wie der Name schon sagt, buchstäblich lebendig. Sie enthalten Mikroorganismen wie Pilze und Bakterien, die ihnen die Fähigkeit verleihen, ihre Integrität und Selbstheilung aufrechtzuerhalten.

Seine Arbeit mag magisch erscheinen, aber sie ist real und macht gute Fortschritte.

Es ist Teil eines fünfjährigen Projekts namens AM-IMATE, für das Masania im Januar 2023 einen Zuschuss der Europäischen Union erhielt. Das Forschungsteam untersucht das Potenzial biologischer Organismen für die Integration in innovative neue Materialien für den Einsatz in der Industrie und Ingenieurwesen.

„Ziel ist es, technische Strukturen zu schaffen, die sich wie lebende Organismen verhalten, mechanische Belastungen erkennen und sich an sie anpassen können“, sagte Masania.

3D-gedruckte Pilze

Das von Masania entwickelte Material ist ein Verbundwerkstoff, der lebende Pilzzellen und Holz kombiniert. Es besteht aus einem Hydrogel und Myzel, einer Struktur, die der Wurzel eines Pilzes ähnelt, der normalerweise unter der Erde lebt.

„Wir haben uns für die Arbeit mit Pilzen entschieden, weil es sich um einen sehr robusten Organismus handelt, der raue Bedingungen verträgt und relativ einfach zu kultivieren ist“, sagte Masania.

Darüber hinaus verfügen Pilzzellen über eine hohe Bindungsfähigkeit. Das Myzel kann ein riesiges Netzwerk von Sensoren entwickeln, das es ihm ermöglicht, Signale durch den Körper zu senden. Das bedeutet, dass Wissenschaftler nur wenige Zellen im Material verteilen können und diese Zellen sich wieder verbinden und ein Sensornetzwerk bilden.

Zur Herstellung dieser lebenden Materialien entwickelte Masania ein spezielles 3D-Druckverfahren und eine neue 3D-Drucktinte.

„Wir machen in diesem Bereich gute Fortschritte und sind bereits in der Lage, unser Material in 3D zu drucken“, sagte er.

Nachhaltiger Raum

Biologische Materialien könnten dazu beitragen, die Leistung und Haltbarkeit kritischer Strukturen in Bereichen wie Luft- und Raumfahrt und Transport zu verbessern. Masania und sein Team planen beispielsweise, ihre Verbundwerkstoffe als Basismaterial für Flugzeuginnenräume zu verwenden.

„Unsere Materialien sind sehr leicht und langlebiger als die derzeit verwendeten Materialien“, sagte Masania. „Derzeit bestehen Flugzeuginnenräume überwiegend aus Kunststoff und Metall. Wenn wir sie ersetzen, sind wir nicht mehr auf fossile Brennstoffe angewiesen und können bessere End-of-Life-Lösungen anbieten. Wenn wir lebende Materialien verwenden, könnten Flugzeugkomponenten zerlegt und der Natur zurückgegeben werden. »

Masanias Forschung könnte sogar darauf abzielen, scheinbare Science-Fiction Wirklichkeit werden zu lassen.

„Das könnte für den Bau im Weltraum und auf anderen Planeten sehr interessant sein“, sagte er. „Unsere lebenden Materialien könnten die Grundlage für neue Lebensräume bilden, weil wir lokale Materialien verwenden und sie mithilfe von Pilzen zusammenbinden könnten. »

Biobasierte Gebäudebeschichtung

Auch in der näheren Umgebung werden biobasierte Materialien verwendet, um einen neuen Verbündeten für nachhaltiges Bauen zu entwickeln. Anna Sandak ist Expertin für Materialwissenschaften, insbesondere Holz. Sie ist außerordentliche Professorin an der Universität Primorska, Koper, Slowenien, und stellvertretende Direktorin und Leiterin der Materialabteilung des slowenischen InnoRenew Centre of Excellence.

InnoRenew wurde 2017 mit Hilfe europäischer, internationaler und nationaler Mittel gegründet, um die Stärken Sloweniens in der Forstwirtschaft und Holzforschung auszubauen. Ziel war es, innovative erneuerbare Materialien für nachhaltiges Bauen zu untersuchen.

Im Jahr 2022 erhielten Sandak und sein InnoRenew-Forschungsteam ein fünfjähriges EU-Stipendium, um das Konzept eines bioaktiven lebenden Beschichtungssystems für den Bausektor weiterzuentwickeln. Mit dieser Finanzierung entwickeln sie einen „lebenden“ Biofilm, der verschiedene bebaute Oberflächen, darunter Beton, Kunststoff und Metall, schützen kann.

Die Idee ist, dass diese lebende Haut zum Schutz von Baumaterialien eingesetzt werden könnte und Gebäude widerstandsfähiger und langlebiger machen könnte.

„Anstatt synthetische Chemikalien, Biozide und Mineralöle zu verwenden, die nicht immer umweltfreundlich sind, konzentrieren wir uns auf die Entwicklung natürlicher Lösungen“, sagte Sandak.

Mithilfe lebender Organismen schaffen Wissenschaftler neue Funktionalitäten, die in herkömmlichen Materialien nicht zu finden sind.

„Wir verleihen Materialien eine neue Dimension, die es vorher nicht gab: Leben“, sagte Sandak. „In der Natur haben Zellen viele fantastische Eigenschaften, die in synthetischen Materialien nur sehr schwer und teuer zu erreichen sind. Lebende Materialien sind umweltfreundlicher, können sich selbst heilen, haben das Potenzial, die Luft zu reinigen und sind kostengünstiger. »

Lustige Pilze

Wie das AM-IMATE-Projekt arbeitet Sandaks Team hauptsächlich mit Pilzen.

„Sie haben ein enormes Potenzial“, sagte sie. „Sie wachsen fantastisch, haben eine hohe Überlebensrate und brauchen nicht viele Nährstoffe. Pilze machen Spaß. »

Auf Baustellen gibt es bereits Pilze, die jedoch grundsätzlich unerwünscht sind, da sie das Material beschädigen können. Sandaks Team arbeitet jedoch mit einem bestimmten Pilz, der nicht schädlich ist und keine Materialien zersetzt.

„Wir nutzen die ‚Guten‘, um die Ausbreitung der ‚Bösen‘ zu verhindern. »

Um ihre Forschung in die Praxis umzusetzen, entwickeln Wissenschaftler eine biologische Beschichtung, die nicht nur effektiv, sondern auch optisch ansprechend ist. Sie testen es an verschiedenen Materialien und arbeiten daran, verschiedene Farben hinzuzufügen.

„Weil Ästhetik in der Architektur wichtig ist“, sagte Sandak.

Das resultierende Produkt gilt als wasserbasierte Beschichtung, die auf eine Vielzahl von Oberflächen aufgesprüht, gebürstet oder gerollt werden kann.

ARCHI-SKIN läuft bis 2027 und laut Sandak schreitet die Forschung recht schnell voran und es wird nicht mehr lange dauern, bis die Beschichtung auf die ersten Gebäude aufgetragen werden kann.

„Ich glaube, dass es möglich sein wird, unsere Lösung im nächsten Jahrzehnt einzusetzen“, sagte sie.

Gesellschaftliche Auswirkungen

Bei beiden Projekten gewinnen Wissenschaftler wertvolles Grundlagenwissen über Mikroorganismen, das Hauptergebnis der Forschung sollen aber, wie beide Projektkoordinatoren sagen, konkrete Anwendungen sein.

„Wir wollen unsere Welt zu einem besseren Ort machen“, sagte Sandak.

„Ich denke, wir werden definitiv immer mehr Anwendungen für biobasierte Materialien sehen, insbesondere in Gebäuden und der gebauten Umwelt sowie in Konsumgütern“, sagte Masania. „Mit zunehmendem Verständnis dieser Materialien werden immer mehr Anwendungen folgen. »