Granulare Substanzen können unter Eigenlast eine hohe Stabilität aufweisen. Fotos: ICD / Universität Stuttgart

Forschung, Technik und Trends

08. Januar 2019 | Artikel teilen

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Forschung: Künstliche granulare Materialien

Das wohl bekannteste granulare Material ist Sand. Er ist im Verlauf der Erdgeschichte durch die Verwitterung von Gesteinen entstanden und gehört zu den wichtigsten Rohstoffen für das Bauwesen. Die speziellen Eigenschaften von natürlichen Granulaten wie Sand haben sich Forscher der Universität Stuttgart zum Vorbild genommen, um einen Pavillon zu bauen, der komplett aus unverbundenen, künstlich hergestellten Kunststoffpartikeln besteht.

Warum bezeichnet man Sand als granulare Substanz? Antwort: Es handelt sich um einen in Körner zerkleinerten, leicht schüttbaren Feststoff – also um ein Granulat. Ein einzelnes Sandkorn ist noch kein Sand. Der entsteht erst, wenn sich sehr viele Körner an einem Ort ansammeln. So ein Sandhaufen hat ein paar eigentümliche Eigenschaften. Er besteht zwar aus vielen kleinen Festkörpern, doch das Gesamtprodukt „Sand“ verhält sich durchaus nicht immer so, wie sich feste Materie normalerweise verhält.

Durch Einflüsse der Schwerkraft beginnt Sand zum Beispiel zu „fließen“ wie eine Flüssigkeit – man denke an eine Sanduhr! Bei heftigem Wind kann es zu Sandstürmen kommen, dann verhält sich die Substanz eher wie ein Gas. Und auch in einem äußerlich „ruhig“ wirkendem Sandhaufen – etwa ein traumhafter Meeresstrand – findet auf der Ebene der einzelnen Sandkörner eine ständige Bewegung statt. Logisch: Granulate sind eben Materialsysteme, die aus einer großen Anzahl von Partikeln bestehen, wobei diese Partikel aber nicht fest miteinander verbunden sind.

Innovation des ICD Stuttgart

Der Pavillon wurde aus 120.000 unverbundenen Einzelpartikeln errichtet.

Die genannten Eigenschaften natürlicher granularer Materialien gelten auch für künstlich hergestellte granulare Substanzen wie etwa Zucker oder Waschpulver. Pulverförmige Baustoffe wie Zement oder Trockenmörtel zeigen zudem, dass granulare Materialien auch im Bauwesen nichts Neues sind. Allerdings verlieren diese Baustoffe im Zuge ihrer Verarbeitung die typisch granularen Eigenschaften. Wird Zement mit Wasser angemacht, erstarrt er nach einiger Zeit und erhärtet zu einem durch und durch starren, bewegungslosen Festkörper.

Völlig anders verhalten sich dagegen die künstlichen granularen Materialien, die das Institut für Computational Design and Construction (ICD ) an der Universität Stuttgart entwickelt hat. Die Forscher arbeiten dort arbeiten nämlich mit Partikeln für Architekturzwecke, die zwar zu größeren Bauwerken zusammengesetzt werden, dabei aber dauerhaft unverbunden wie ein Granulat bleiben. Wie so etwas in der Praxis aussehen kann, demonstrierte das ICD im Sommer dieses Jahres mit einem temporären Pavillion, dessen Hülle aus künstlichen granularen Materialien bestand. Dabei kamen insgesamt 120.000 Einzelpartikel zum Einsatz.

Pavillon aus losen Partikeln

„Fließende“ Kugeln dienten als Schalung für den Bau der selbsttragenden Pavillonwände.

Der Pavillon war nach Angaben des ICD der erste vollständig umschlossene architektonische Raum, der aus einem spezifisch dafür entworfenen Granulat gebaut wurde, dessen Partikel nur in losem Reibkontakt standen. Genauer gesagt handelte es sich um sternförmige Partikel aus recyceltem Kunststoff, die von einem Roboter zum fertigen Pavillon aufgeschüttet wurden. Mit den weißen Sternpartikeln lassen sich einerseits selbsttragende Raumstrukturen bilden, andererseits bleiben die Einzelteile unverbunden und sind deshalb schnell wieder abbaubar und für neue Konfigurationen wiederverwendbar.

Der „ICD Aggregat Pavillon 2018“ bestand aus zwei miteinander verbundenen Gewölben, hatte eine Gesamtgröße von 105 m³ und wog etwa 2.500 kg. Für den Bau kamen zwei Arten von künstlich entworfenen Partikeln zum Einsatz: sternförmige Hexapoden und Dekapoden, die sich ineinander verkeilen, sowie „fließende“ Kugeln. Die Kugeln dienten als Schalung für die Hexapoden und Dekapoden, die als selbsttragende Raumstruktur erhalten blieben. Sämtliche verwendeten Partikel wurden auch schon für frühere Projekte des ICD verwendet.

Erstaunliche Stabilität

Von außen betrachtet mögen die Pavillonwände eher instabil wirken. Wie ein Kartenhaus, das jederzeit einzustürzen droht. Doch der Eindruck täuscht. Der Pavillion hat problemlos fünf Monate gestanden, bevor er wieder abgebaut wurde. „Durch das Verhaken der Partikel untereinander wird die Struktur unter Eigenlast stabil“, erklärt Karola Dierichs vom ICD. „Generell kann man annehmen, dass granulare Materialien unter Belastung durch die Einspannung infolge der aufgebrachten Last stabiler werden, sich also umgekehrt zu anderen Baumaterialien verhalten.“

Aber war der temporäre Pavillon letztlich nicht nur eine Spielerei? Wer baut schon „echte“ Gebäude aus Kunststoffsternen? „Jein“ könnte man darauf antworten. „Der Pavillon war ein erster Prototyp, der ausschließlich für Forschungs- und Ausstellungszwecke entworfen wurde“, erläutert Karola Dierichs. „Für reale Anwendungen würde man die Partikel aus anderen Materialien herstellen, zum Beispiel aus Beton. Der Raumabschluss kann dann über herkömmliche architektonische Hüllen oder aber auch durch feinkörnige Füllmaterialien erfolgen.“

Mehr zu Grundstoffen des Bauens findest du hier

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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