Holz und Umweltschutz – ein altes Material für neue Ideen

30 Jan 2017
Es zischt, es raucht, die Funken fliegen. Bei der Verbindung zweier Holzstücke könnte das bald die gängigste Methode sein. Es zischt, es raucht, die Funken fliegen. Bei der Verbindung zweier Holzstücke könnte das bald die gängigste Methode sein.

Kann Holz Kunststoff ersetzen? Könnte man diesen ältesten aller Werkstoffe schweissen wie Metall? Ja, man kann, denn Holz ist heute sehr viel mehr, als nur Bau- und Ofenmaterial.

Unsere Vorväter im 19. und 18. Jahrhundert würden buchstäblich Bauklötze staunen. Damals wurde die Schweiz nämlich in einigen Regionen von einer grassierenden Holznot heimgesucht – ein einstmals dichtbewaldetes Land, das durch saisonale Verknappungen und wenig ressourcenschonenden Holzeinschlag auf einmal die Nachfrage nicht mehr bedienen konnte. Und heute? Heute ist die Schweizer Bevölkerung um mehrere Potenzen grösser als damals – und dennoch gibt es mehr als genug Holz. Und damit lassen sich dank viel Erfindergeist und Ingenieursschweiss heute Sachen anstellen, von denen nicht nur unsere Vorväter, sondern wir selbst vor einigen Jahren noch nicht zu träumen gewagt hätten.

Woran liegt‘s?

Doch bevor diese Parade der hölzernen Wunderdinge starten kann, muss man erst einmal erklären, woran es liegt, dass ein einstmals wegen seiner übergrossen Bedeutung so knapp gewordener Rohstoff wieder eine solche Rolle erlangen konnte.

Ohne nachhaltige Waldbewirtschaftung gäbe es heute viel weniger Holz und deshalb kaum Anreize, in dieser Richtung zu forschen. -mimacz, fotolia.com  

Kurzgesagt ist das nur einem gesteigerten Umweltbewusstsein zu verdanken. An einem Punkt erkannten die Menschen, dass Holz so bewirtschaftet werden muss, dass es dauerhaft verfügbar bleibt. Und gleichzeitig verstand man auch, dass Holz mit seinem vergleichsweise sehr schnellen Wachstum (im Gegensatz zu anderen Stoffen) und der ebenfalls relativ leichten Herstellung (etwa im Vergleich zu Stahl) ein unschätzbar einfacher Rohstoff ist. Aus diesen Gründen herrscht heute in der Schweiz ein Konsens zur nachhaltigen Waldbewirtschaftung – Was abgeholzt wird, wird im gleichen Atemzug wieder aufgeforstet. Und die gesamte Industrie, die auf diesem Rohstoff basiert, macht ebenfalls mit, erkenntlich in Form von Zertifikaten wie FSC, PEFC oder dem Blauen Engel. Sie alle signalisieren dem Verbraucher: „Dieses Holz wurde umweltschonend geerntet und wieder aufgeforstet“.

Anfangs sorgte diese Bewirtschaftung für eine leichte Verknappung, weil eben nicht alles abgeholzt wurde, sobald es ausgewachsen war. Doch mit der Zeit wurde daraus ein stetiger Kreislauf, der immer genügend Holz für alle möglichen Anforderungen bereithält, die Holz mittlerweile so vielfältig wie Erdöl machen – wobei auch hier „Verbrennen“ nur eine und nicht gerade die spektakulärste Methode ist.

Holzschweissen

Nur eine feine, schwarz verbrannte Linie zeigt an, wo die beiden Holzstücke miteinander verschweisst wurden. - Christoph Hähnel, fotolia.com

Wenn Schweizer Erfindergeist losgelassen wird, dann verschweissen sogar zwei Holzstücke – anders kann man es nicht erklären, was erstmalig 1993 ersonnen wurde, nämlich Holz durch Druck und Vibration so zu erhitzen, dass sich zwei zuvor getrennte Holzwerkstücke zu einem verbinden – ganz so, wie man es beim klassischen Schweissen im Metallbaubereich machen würde.

Die Forscher, die damals auf die Idee kamen, dachten schlicht in anderen Bahnen. Sie sahen Holz nicht klassisch als eine Ansammlung von harten Baumfasern an, sondern gingen mit der starken Lupe auf die molekulare Ebene. Und dort besteht Holz aus ebensolchen Molekülgitterstrukturen wie etwa Metall.

Und als solches muss aus physikalischen Gründen auch Holz den gleichen Bedingungen entsprechen, wie Stahl. Die Forscher fanden heraus, dass diese Gitterstrukturen sich unter  

  • gegeneinander gerichtetem Druck sowie
  • hochfrequenter linearer Reibung

in einen dickflüssigen Zustand bringen lassen, weil Reibung bekanntlich Hitze erzeugt. Genauer gesagt ist es das Lignin im Holz, das diesen Zustand annimmt – kurzgesagt steckt das Lignin in der Zellwand und sorgt dafür, dass die Zelle verholzt. Stoppt man nun die Bewegung, erkalten die eben noch dickflüssigen Elemente und härten wieder aus – das Holz ist verschweisst.

Der Vorteil liegt auf der Hand, denn zum Verbinden von Holz werden nun keine aufwändig hergestellten Leime, Klebstoffe oder Schraubverbindungen mehr benötigt. Zudem geht das Holzschweissen so schnell und ist wirtschaftlich, dass daraus bereits die ersten Snowboards gefertigt werden – gleiche Eigenschaften, aber kein Kleber und somit auch weniger Gewicht.

Holzkunststoff

Auch bei unseren nördlichen Nachbarn, immerhin zu 1/3 von Wald bedeckt, macht man sich Gedanken über die Zukunft des Holzes. Und auch hier kamen die Forscher darauf, sich das Lignin genauer anzusehen und eine noch stärkere Lupe zu verwenden.

Auf makromolekularer Ebene ist Lignin nämlich aus Polymeren aufgebaut. Und nun wird es chemisch. Denn unter den vielen Methoden der Papierherstellung gibt es das sogenannte Sulfat-Verfahren, das schon seit 150 Jahren bekannt ist. Dabei werden Holzschnitzel stundenlang in Natronlauge abgekocht. 

Dadurch werden alle unerwünschten Zusatzstoffe im Holz, darunter auch Lignin abgeschieden und es bleibt nur der für die Papierherstellung nötige Zellstoff übrig – Millionen von Tonnen Lignin jährlich, für die keine Verwendung existiert - bislang.

Dieses Lignin wird nun chemisch von Verunreinigungen befreit und mit feingemahlenen Naturfasern, etwa Hanf, versetzt. Daraus entstehen erbsengrosse Kügelchen. Diese Kügelchen sind wahrlich atemberaubend, denn sie haben ähnliche Eigenschaften wie klassische Kunststoffe:

  • Sie werden zwischen 110 und 170°C weich
  • Sie können mit bestehenden Kunststoff-Bearbeitungsmethoden gegossen, extrudiert usw. werden
  • Sie sind thermoplastisch, behalten also nach dem Erkalten die eingenommene Form bei

Das bedeutet also, dass man diesen Holzkunststoff unter gleichen Bedingungen zu Brotdosen, Handyschalen und Tellern machen könnte, wie mit klassischen Kunststoffen – und zudem liegt die Zugfestigkeit, also die Stabilität, auf einem ähnlichen Level oder sogar höher als die der meistbenutzten Kunststoffe Polypropylen, Polyethylen oder Polycarbonat. 

Im Urzustand ähnelt Holzkunststoff Bakelit, er leitet zudem keinen Strom und lässt sich bis auf weiss und transparent beliebig einfärben.- leoeye, fotolia.com

Und neben der Umweltverträglichkeit ist das vielleicht Beste daran, dass Lignin im Gegensatz zum Erdöl in nahezu unbegrenzter Menge verfügbar ist. Auf der Erde entstehen jährlich rund 20 Milliarden Tonnen des Pflanzenstoffs – das reicht mehrfach, um jeden noch so hohen Bedarf an Biokunststoffen zu decken. Zudem hätte es auch noch einen angenehmen Nebeneffekt, wenn künftig mehr klassische Kunststoffe durch das Flüssigholz ersetzt würden. Der Stoff ist nämlich weitestgehend CO2-neutral. Ein Grossteil des bei Ölförderung und anschliessender Umwandlung zu Kunststoffen entstehenden Klimagases könnte eingespart werden – und unsere Ölvorräte würden auf lange Sicht sogar länger reichen, weil einer der grössten Anwendungsbereiche wegfiele.

Fazit

Holz ist vielleicht der wandelbarste Stoff auf Erden. Nicht nur dass er schon im Urzustand für tausenderlei Anwendungen verwertbar ist. Er kann auch sogar zum Kunststoff werden. Doch wenn der Mensch nicht irgendwann zu einem nachhaltigeren Umgang mit diesem Wunderstoff gefunden hätte, gäbe es kaum Anreize für solche Forschungen. Erst durch einen bewussteren Umgang mit Holz wurde das möglich und zeigt so, welche direkten positiven Folgen Umweltschutz haben kann

 

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