Das Carbonhaus CUBE wird auf dem Gelände der TU Dresden gebaut.  Grafik: Iurii Vakaliuk

Forschung, Technik und Trends

14. Juli 2020 | Artikel teilen

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Ein Haus aus Carbonbeton

Auf dem Gelände der Technischen Universität Dresden entsteht aktuell ein ganz besonderes Gebäude. Nicht nur seine Optik mutet futuristisch an, auch das verwendete Material ist zukunftsweisend. Es handelt sich nämlich um das weltweit erste Haus, bei dem fast alle Betonbestandteile aus Carbonbeton hergestellt werden. Dieser innovative Baustoff ist deutlich leichter und haltbarer als Stahlbeton, aber dennoch hoch belastbar.

Die feierliche Grundsteinlegung für das 220 m² große Versuchs- und Forschungsgebäude sollte eigentlich am 26. März stattfinden – unter anderem hatten der sächsische Ministerpräsident Michael Kretschmer und Dresdens Oberbürgermeister Dirk Hilbert ihre Teilnahme zugesagt. Doch aufgrund der Covid-19-Beschränkungen musste diese Veranstaltung abgesagt werden. Die Arbeiten an dem Bauwerk, das den Namen CUBE tragen wird, sollten ursprünglich bis Ende 2020 abgeschlossen sein. Doch die Pandemie hat das Projekt verzögert. Aktuell ist die Fertigstellung für Frühjahr 2022 geplant.

Leuchtturmprojekt der C³-Initiative

Es ist natürlich kein Zufall, dass das Gebäude auf dem Gelände der TU Dresden entsteht. Grundlegende Ideen zu Carbonbeton basieren auf der dortigen Erforschung von Textilbeton. Auch die Rezeptur des Carbonbetons, die für den CUBE zum Einsatz kommen soll, wurde vom Institut für Massivbau an der TU Dresden in Zusammenarbeit mit der RWTH Aachen entwickelt. Der geplante Bau gilt als „Leuchtturmprojekt“ von Deutschlands größtem Bauforschungsprojekt C³, das daran arbeitet, neue Verbundwerkstoffe aus Carbonfasern und Hochleistungsbeton zu entwickeln. Das Institut für Massivbau war an diesem Projekt von Anfang an beteiligt.

Die Abkürzung C³ steht für Carbon Concrete Composite (Carbon-Beton-Verbund). Die vom Bundesministerium für Bildung und Forschung seit 2014 geförderte Gemeinschaftsinitiative verbindet rund 150 Partner aus den Bereichen Forschung und Industrie und umfasst mittlerweile etwa 300 Forschungsprojekte zu Carbonbeton. „Das Ergebnis ist der CUBE, der nun viele der erarbeiteten Innovationen wiederspiegelt“, sagt CUBE-Projektleiter Dipl.-Wirtsch.-Ing. (FH) Matthias Tietze.

Darüber hinaus wollen die C³-Partner bis Ende 2021 eine Richtlinie für Carbonbeton erarbeiten. „Durch den Bau des CUBE und durch die Richtlinie schaffen wir die wesentlichen Voraussetzungen dafür, um in den nächsten fünf Jahren diese Bauweise in der Bauwelt erfolgreich zu verankern“, glaubt Tietze.

Baustoff mit vielen Vorteilen

Carbonbeton enthält eine Bewehrung aus mattenförmig „gewebten“ Kohlenstofffasern. Foto: TU Dresden / Joerg Singer

Carbonbeton verfügt über eine Bewehrung aus mattenförmig „gewebten“ Kohlenstofffasern (Carbonfasern). Die Form dieser textilen Gelege erinnert an die Stahlmatten beim Stahlbeton, und sie erfüllen auch denselben Zweck: den Beton zugfester machen. Der Unterschied ist nur, dass Carbon-Matten viel leichter sind als die herkömmlichen Stahleinlagen, gleichzeitig aber auch flexibler formbar. Außerdem rosten sie nicht.

Um Stahlbewehrungen vor Rostschäden zu schützen, sind relativ dicke Betonüberdeckungen notwendig. Bei Carbonbeton fällt diese Notwendigkeit weg. Deshalb eröffnet der innovative Baustoff die Möglichkeit, Gebäude aus dünneren und filigraneren Bauteilen zu errichten. Das hat nicht nur ästhetische Vorteile und erlaubt neue architektonische Formen, sondern senkt auch den Materialverbrauch. Durch die Einsparung von Ressourcen wie Sand und Zement ist nicht zuletzt eine deutliche CO₂-Einsparung bei der Bauteilfertigung zu erwarten. Die hohe Flexibilität des kohlefaser-verstärkten Betons erlaubt zudem völlig neue Bauformen.

Als wären dies nicht schon genug Vorteile, muss sich Carbonbeton auch in Sachen Stabilität nicht vor Stahlbeton verstecken. Im Gegenteil: Bewehrungen aus Kohlenstofffasern sind hoch belastbar, die Zugfestigkeit ist höher als bei Stahlbeton. „Carbon ist bis zu viermal leichter und sechsmal tragfähiger als Stahl und hat somit die 24-fache Leistungsfähigkeit“, fügt CUBE-Projektleiter Tietze hinzu. Die TU Dresden geht von einer Lebensdauer von über 200 Jahren aus. Bei Stahlbeton sind es nur etwa 80 Jahre.

Herstellung der Carbonfasern

Bei allen Vorteilen hat der Baustoff den Nachteil, dass die Herstellung der benötigten Fasern noch relativ teuer ist. Apropos Herstellung: Carbonfasern werden bisher in der Regel aus erdölbasierten PAN-Fasern hergestellt. Das ist ziemlich energieintensiv. Einzelne Herstellerwerke werden aber immerhin schon mit erneuerbaren Energien betrieben.

Bleibt die Erdölabhängigkeit, die Minuspunkte in Sachen Nachhaltigkeit beschert. Doch auch hier gibt es positive Entwicklungen. Matthias Tietze: „Derzeit wird daran gearbeitet, das Polyacrylnitril (PAN) aus Algen zu gewinnen, dazu gibt es ein Forschungsvorhaben an der TU München, die das erfolgreich umgesetzt haben.“

Es gibt aber noch weitere interessante Ansätze. Eine Idee lautet zum Beispiel, CO₂ aus der Luft zu nutzen, um daraus den Ausgangsstoff für Carbonfasern zu gewinnen. Auf diese Weise könnte die Herstellung sogar zum Klimaschutz beitragen. „Zudem wird Lignin – ein Nebenprodukt der Papierherstellung – für die Gewinnung von Carbon genutzt“, nennt Tietze eine weitere Möglichkeit. „Hier sind die Forschungsergebnisse vielversprechend.“

Automatisierter Fertigteilbau

Die Carbonbeton-Fertigteile für den CUBE entstehen in automatisierter Herstellung beim C³-Partner Betonwerk Oschatz aus Sachsen. Nach Angaben der TU Dresden lassen sich die Elemente dort effizient und in gleichbleibend hoher Qualität herstellen. In einer Pressemitteilung vom März spricht die TU mit Bezug auf die Produktionstechnik sogar von einem „Durchbruch“, der ein „Schlüssel in den Massenmarkt“ sei.

Lässt sich Carbonbeton also heute doch schon wettbewerbsfähig herstellen? „Im Bereich des Fertigteilbaus lässt sich das realisieren“, sagt Matthias Tietze mit Blick auf die Produktion in Oschatz. Dort profitierte man bei der Automatisierung von vielen Erkenntnissen aus dem C³-Projekt. „Teure händische Arbeitsschritte wurden stark minimiert und man nähert sich dem aktuellen Preisniveau im Betonbau an“, fasst der CUBE-Projektleiter zusammen.

Verdrehte Betonschalen

Zwei filigrane, verdrehte Betonschalen bilden zugleich den seitlichen und oberen Raumabschluss. Grafik: Iurii Vakaliuk

Die Gebäudehülle sowie das Fundament des CUBE werden mit Ausnahme der Fensterflächen (Stahl-Glaskonstruktion) komplett aus Beton mit nichtmetallischer Bewehrung gebaut. Neben Carbonfasern kommen dabei an einigen Stellen auch Glasfasern zum Einsatz.

Als optischer „Hingucker“ wird das Gebäude über zwei symmetrisch gegenüber angeordnete Schalen aus Carbonbeton verfügen, die auf den beiden Längsseiten des Gebäudes jeweils als Außenwandelemente beginnen und sich dann aus der Wand heraus „in das Dach hinein verdrehen“ (siehe Grafik). Diese filigranen „Twist“-Schalen bilden also zugleich den seitlichen und oberen Raumabschluss. Im Zentrum des Bauwerks ist eine zweigeschossige „Box“ geplant, deren Hülle aus Carbonbeton-Fertigteilen sowie Stahl-Glas-Elementen errichtet wird.

Nach der Fertigstellung soll der CUBE als Repräsentationsstätte der Carbonbeton-Bauweise dienen. Im Inneren wird es unter anderem einen Präsentationsraum für etwa 20 Personen, Labor-, Test- und Technikräume geben. Matthias Tietze: „Das Gebäude wird während des geplanten zehnjährigen Betriebs maßgeblich der Erforschung des Langzeitverhaltens von Carbonbeton aus baukonstruktiver, statischer und bauphysikalischer Sicht dienen.“

Über den Autor Roland Grimm ist seit Februar 2013 freier Journalist mit Sitz in Essen und schreibt regelmäßig Fachwissen-Artikel für BaustoffWissen. Zuvor war er rund sechs Jahre Fachredakteur beim Branchenmagazin BaustoffMarkt und außerdem verantwortlicher Redakteur sowie ab 2010 Chefredakteur der Fachzeitschrift baustoffpraxis. Kontakt: freierjournalist@rolandgrimm.com

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