EmpaQuarterly - Heimische Werte Architektin der Energie

 
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EmpaQuarterly - Heimische Werte Architektin der Energie
EmpaQuarterly                             Forschung & Innovation #63 | Januar 19

Heimische Werte
Edle Metalle aus   Brandschutz     Architektin
Elektroschrott     aus Altpapier   der Energie
EmpaQuarterly - Heimische Werte Architektin der Energie
02                                                                                                                                                                                                                                                                                        03

                     MICHAEL HAGMANN Leiter Kommunikation

                                                                                                                                                                                                Fokus
     Die Schweiz als
                                                                                                                                                                                                Heimische Werte:
     Rohstoffland?                                                                                                                                                                              Ressourcen aus der Schweiz
     Liebe Leserin, lieber Leser
                                                                                                                                                                                                10                    Edle Metalle aus Elektronikschrott
     «Rohstoffarm» ist eines der weniger erfreulichen                                                                                                                                                                 Indium, Neodym und Gold lagern mitten unter uns
     Attribute, die der Schweiz anhaften. Wenn wir uns
     mit Rohstoffgiganten wie China vergleichen, die                                                                                                                                            13                    Zweites Leben für Altbauten
     vor klassischen Bodenschätzen nur so strotzen,                                                                                                                                                                   Beton-Verstärkung mit Memory-Steel – ohne Hydraulikpressen
     dann hat das auch seine Richtigkeit. Und doch ver-
     bergen sich hierzulande Goldminen, die nur darauf                                                                                                                                          14                    Wärme aus der Konserve
     warten, geschürft zu werden – etwa in unseren aus-                                                                                                                                                               Saisonale Energiespeicherung – das Thema der Zukunft
     rangierten elektronischen Gadgets und anderem
     Elektroschrott.                                                                                                                                                                            18                    Ganz schön verfault
                                                                                                                                                                                                                      Bio-Marmorierung verschönert Schweizer Buchenholz
     Dazu sind allerdings helle Köpfe und innovative
     Technologien notwendig – einer der «Rohstoffe»,
     über die die Schweiz gottlob zu Hauf verfügt. Die                                                                                                                                          20                    Das Ohr aus dem 3-D-Drucker
     aktuelle Ausgabe des EmpaQuaterly präsentiert Ih-                                                                                                                                                                Knorpel-Implantate aus bioabbaubarer Nanocellulose
     nen einige dieser ressourcenschonenden Ansätze
     sowie die findigen Forscherinnen und Forscher, die                                                                                                                                         22                    Brandschutz aus Altpapier
     dahinterstehen. Dabei werden Sie vermutlich auf                                                                                                                                                                  Ein erfolgreicher Dämmstoff gewinnt durch Empa-Know-how an Wert
     einiges Erstaunliche stossen. Etwa auf einen Dämm-
     stoff, der als Brandschutz dient und aus Altpapier
     hergestellt wird. Oder auf holzzersetzende Pilze, die
     herkömmliches Buchenholz – eher billig und von                                                                                                                                             04                    Virtueller Lärm
     biederem Aussehen – in hochpreisiges «Marmor-                                                                                                                                                                    Eine Computersimulation zeigt, was wir gegen Eisenbahnlärm tun können
     holz» verwandeln, wunderschön gemasert und von
     Möbeldesignern hochgeschätzt.                                                                                                                                                              24                    Architektin der Energie
                                                                                                                                                                                                                      Kristina Orehounig leitet die Abteilung «Urban Energy Systems»
     Unabhängig von ihrer konkreten Anwendung ha-
     ben die in diesem Magazin vorgestellten Konzepte
                                                                                                                                                                                                27                    Auf zum Merkur!
     eines gemeinsam: Sie stehen für einen verantwor-
                                                                                                                                                                                                                      Heizelemente der Empa schützen Raumsonden der ESA
     tungsvolleren Umgang mit unseren endlichen na-
     türlichen Ressourcen. Ein Thema, dem wir indes
     nur gerecht werden können, wenn wir uns nicht auf                                                                                                                                          30                    Drohnen, Schweiss und Wasserstoff
     neue Technologien allein verlassen, sondern auch                                                                                                                                                                 Was an der Empa sonst noch geschah, Kurznachrichten
     unser alltägliches Verhalten anpassen. Nachdem

                                                             18                                              20                                  27
     der weihnachtliche Kaufrausch vorbei ist, wäre das
     ein guter Vorsatz für 2019.

     Lassen Sie sich durch die aktuelle Ausgabe des Em-
     paQuaterly ein wenig zum Nachdenken anregen.

     Eine spannende Lektüre, und alles Gute fürs neue        Titelbild                                                     Impressum
     Jahr!                                                   Die Altstadt von St. Gallen. Hier schlummern Ressourcen,      Herausgeberin Empa, Überlandstrasse 129,                                      PERFORM ANCE

                                                             und hier werden sie verbraucht: 80 Prozent der im Winter      8600 Dübendorf, Schweiz, www.empa.ch /                                               neutral
                                                             benötigten Energie ist Wärme. Muss man sie aus fossilen       Redaktion & Gestaltung Abteilung Kommunikation /                                  Drucksache
                                                                                                                                                                                No. 01-18-258146 – www.myclimate.org                                   Empa Social Media
                                                             Brennstoffen erzeugen? In jeder grossen Stadt lagern Tau-     Tel. +41 58 765 47 33 empaquarterly@empa.ch,         © myclimate – The Climate Protection Partnership

                                                             sende von LCD-Bildschirmen, Festplatten und Handys. Wie       www.empaquarterly.ch // Erscheint viermal jährlich
                                                             gewinnt man die darin enthaltenen seltenen Metalle zu-        Anzeigenmarketing rainer.klose@empa.ch
                                                             rück? Seite 09 – 23. Bild: © St. Gallen-Bodensee Tourismus,   ISSN 2297-7406 EmpaQuarterly (deutsche Ausg.)
                                                             Mattias Nutt
EmpaQuarterly - Heimische Werte Architektin der Energie
04                                                                                                                                                                                     05

     Virtueller Lärm   Eisenbahnlärm stört. Vor allem in der Nähe von Wohngebieten sorgen Züge regelmässig für schlaflose Nächte. Umso wichtiger ist es,
                       Züge und Schienen so zu optimieren, dass Geräusche gedämmt werden. Empa-Forschende haben eine Computersimulation entwickelt,
                       die realitätsgetreu aufzeigt, wie Bahnlärm entsteht und welche technischen Massnahmen zielführend sind, ihn zu verhindern.

                                                                                                                                     Hier sehen Sie, was Sie hören werden: die Lärm-­
                                                                                                                                     Simulation der Empa läuft auch auf Virtual-Reality-­
                                                                                                                                     Brillen, tragbar und stereo.

                                                                                                                                                                                      >>
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>>

TEXT: Cornelia Zogg / BILDER: Empa

D
        er Zug rauscht heran, der Lärmpegel steigt, es dröhnt unan- ist massgeblich an der entstehenden Reibung mit den Geleisen und
        genehm in den Ohren, wenn die Waggons vorbeirattern. Ein somit an der Schall- respektive Lärmentwicklung beteiligt. Je weni-
        paar Sekunden später ist der Spuk vorbei, die Lautstärke ger Unebenheiten die Oberfläche der Räder und der Gleise aufwei-
nimmt ab, und die Wagons verschwinden am Horizont. Was auf den sen, umso leiser das Fahrgeräusch.
ersten Blick wirkt wie die gewöhnliche Aufnahme eines vorbeifah-
renden Zuges, ist in Wirklichkeit weit mehr. Weder die Geräusche, Der Schall macht es aus
die man durch Lautsprecher oder Kopfhörer hört, noch die Bilder, Ein vorbeifahrender Zug verursacht Lärm, so viel ist klar. Wie ein
die man sieht, sind echt: Alles entstand im Rahmen einer Simulation Anwohner diesen Lärm allerdings wahrnimmt, hängt massgeblich
am Computer.                                                        von der lokalen Umgebung und der Schallausbreitung ab. Schall
                                                                    erfährt bei der Ausbreitung diverse Veränderungen. Er wird durch
Lärm: Ein Ensemble aus über hundert Geräuschquellen                 Luft absorbiert, was dazu führt, dass hohe Frequenzen stärker ge-
«Lärm besteht aus verschiedenen Bestandteilen», erklärt Reto Pieren dämpft werden als tiefe. Ähnliches passiert bei einer Lärmschutz-
von der Empa-Abteilung «Akustik und Lärmminderung», verant- wand: Hohe Frequenzen sind hinter der Wand tatsächlich weniger
wortlich für die Programmierung der Simulation, die ein Team von laut, tiefe Töne werden jedoch über die Wand gebeugt. Diese zent-
Empa-Forschern in einem Horizon2020-Projekt der EU entwickelte. ralen Faktoren können in der Simulation ebenfalls nachgestellt wer-
«Die Räder, die Schienen, die Lüftung, der Motor – alles erzeugt den, ebenso wie der Standort des Zuhörers – von dem die eigentliche
Geräusche und verursacht als Ganzes dann die Lärmemission des akustische Wahrnehmung des Lärms abhängt.
Zuges.» In anderen Worten: Pieren hat für die über 100 Geräusch-         Den künstlich erzeugten Lärm hat Pieren mit Probanden in ei-
quellen eines fahrenden Zuges einzelne Algorithmen entwickelt. nem Hörexperiment überprüft. Erfreulicherweise zeigte sich, dass
Das ermöglicht es, den Zug als Ganzes «hörbar» zu machen oder die Probanden die Simulationen und die künstlich generierten Ge-
aber nur einzelne Komponenten.                                      räusche als sehr plausibel einstuften. Mit der Simulation lassen sich
     Nebst den diversen Geräuschquellen eines fahrenden Zuges also Auswirkungen von unterschiedlichen Massnahmen «auralisie-
integriert er ausserdem Umwelteinflüsse in seine Berechnungen. ren», also hörbar machen. Beispielsweise lässt Pieren die Simulation
Dazu gehören Lärmschutzwände, Fahrgeschwindigkeit, Zustand der laufen, platziert im Anschluss eine Schallschutzwand und lässt er-
Gleise, Aussentemperatur und sogar die Beschaffenheit des Bodens. neut einen Zug vorbeifahren. «Wenn wir sagen, eine Massnahme
                                                                                                                                                                                                    Was der Zuhörer als Lärm wahrnimmt, ist eine
Ziel der Simulation ist es, nicht nur Optimierungspotenzial beste- reduziert den Geräuschpegel um drei Dezibel, können sich die we-                                                                K­ ombination zahlreicher Einzelgeräusche.
hender Zugkompositionen aufzuzeigen, sondern in Zukunft auch nigsten vorstellen, was das bedeutet. Wenn ich diese drei Dezibel
Voraussagen treffen zu können, wie beispielswiese neue Räder oder im direkten Vergleich aber hörbar mache, ist der Effekt sofort klar.»
Bauteile den Lärm einer Bahnlinie verändern würden.                      Die Simulation funktioniert nicht nur im Labor oder mit einem
                                                                    Virtual-Reality-Set. Auch Videos auf YouTube zeigen den Vergleich
Erschaffen am Computer                                              und machen deutlich, was die Simulation leisten kann. Zukünftig           Im «AuraLab» der Empa kann die Simulation in einem
Die Simulation der Empa ist einzigartig, denn bisherige Programme soll sie helfen, wichtige Entscheidungen bezüglich Bau und Ausbau           schalldichten Raum an Probanden getestet werden.
verwenden echte Tonaufnahmen. Pieren jedoch hat die einzelnen von Bahnlinien und Zügen zu unterstützen. Davon profitieren lang-
Geräusche am Computer hergestellt. Dabei wird für jede Zugkom- fristig Bahnbetreiber, Planer und vor allem die Anwohner.//
ponente unter Berücksichtigung der physikalischen Parameter das
entsprechende akustische Signal berechnet. Physikalische Parame-
ter heisst in diesem Fall Eigenschaften wie die Oberflächenbeschaf-
fenheit und das Material der Gleise und der einzelnen Räder. Diese
Grundparameter stammen dabei aus eigenen Messungen, Messun-
gen von Fahrzeugherstellern und Simulationsrechnungen und wer-
den in die Simulation eingespeist. Aus diesen Daten berechnet der
Algorithmus den abgestrahlten Schalldruck, aus dem wiederum das
Geräusch bei einem bestimmten Zuhörerpunkt simuliert wird.
     Doch es geht noch komplexer: Beim Rollgeräusch beispielswei-
se wird das Bremssystem der Wagen mit einberechnet. «Dahinter
verbergen sich Datensätze, die die Oberflächenmikrostruktur der
Räder beschreiben. So wird für jedes Rad eine individuelle Oberflä-
chenstruktur berechnet», erklärt Pieren. Diese Oberflächenstruktur

                                                                                     Empa Rail-Noise-Experience
                                                                                     Stört es? Auf YouTube können Sie Empa-Lärmsimulationen
                                                                                     unterschiedlicher Züge und Lärmschutzmassnahmen
                                                                                     vergleichen.
                                                                      https://youtu.be/rtEB_qsaiWw
EmpaQuarterly - Heimische Werte Architektin der Energie
08 //   FOKUS Ressourcen aus der Schweiz                                                              FOKUS Ressourcen aus der Schweiz   // 09

                                           Ressourcen aus der Schweiz
                                           Längst schlummern die wertvollsten Rohstoffe nicht mehr unter der Erde, sondern in
                                            ­unseren Städten. Wie können wir sie erfolgreich nutzen? Wir könnten Indium, Neodym und
                                           Gold aus Elektronikschrott gewinnen, wir könnten Altbauten mit Memory-Steel zu neuen
                                           Nutzungen ertüchtigen. Wir könnten Dämmstoffe für Holzhäuser aus Altpapier und
                                           ­Knorpel-Implantate aus Zellulose herstellen. Wir könnten Sommerwärme einlagern und
                                            an kalten Wintertagen nutzen. In dieser Ausgabe von EmpaQuarterly erfahren Sie, wie.
EmpaQuarterly - Heimische Werte Architektin der Energie
10 //   FOKUS Ressourcen aus der Schweiz                                                                                                                                FOKUS Ressourcen aus der Schweiz      // 11

                                          Edle Metalle
                                                                                                                       TEXT: Karin Weinmann / BILDER: Empa, iStockphoto

                                                                                                                       D
                                                                                                                                 ie drei Rohstoffe Gold, Neodym und     Recycling wäre ökologisch sinnvoll

                                          aus Elektronikschrott
                                                                                                                                 Indium gehören zu den rarsten Ele-     Bereits 2015 untersuchte das Empa-Team
                                                                                                                                 menten auf der Erde: Jedes der drei    unter der Leitung von Heinz Böni im Auftrag
                                                                                                                       Metalle macht weniger als 0,0000 1% der          des Bundesamts für Umwelt (BAFU) und
                                                                                                                        Erdkruste aus. Sie finden sich in einer Viel-   dem schweizerischen Verband der Anbieter
                                                                                                                       zahl von elektronischen Geräten – zwar in        von Informations- und Kommunikations-
                                                                                                                        geringen Mengen, dafür aber in Schlüssel-       technologien (Swico), ob die Rückgewin-
                                          Indium, Neodym und Gold inden sich in vielen elektronischen Geräten. Was      funktionen: Indium ist als Indiumzinnoxid       nung von Indium und Neodym ökologisch
                                          geschieht mit den wertvollen Stoffen, wenn die Geräte nicht mehr gebraucht   elektrisch leitend und gleichzeitig durch-       sinnvoll und wirtschaftlich tragbar ist.
                                                                                                                        sichtig. Wegen diesen Eigenschaften wird             Technisch lässt sich Indium bereits heu-
                                          werden? Und wie viel edles Metall steckt in Mobiltelefonen, Computern und
                                                                                                                       das Material etwa in LCD-Bildschirmen ein-       te zurückgewinnen, wenn auch mit relativ
                                          Bildschirmen, die derzeit noch in Gebrauch sind? Diesen Fragen sind Empa-     gesetzt. Neodym wird in Verbindung mit          grossem Aufwand. Und wirtschaftlich gese-
                                          Forscher nachgegangen.                                                        Eisen und Bor verwendet, um starke Magne-       hen fallen für die Rückgewinnung von Indi-
                                                                                                                        ten herzustellen. Sie finden sich etwa in       um aus Bildschirmen nur moderate Zusatz-
                                                                                                                        Festplatten, Lautsprechern, Kopfhörern          kosten an. Sie liessen sich durch eine Erhö-
                                                                                                                        und Mobiltelefonen. Gold ist ein sehr guter     hung des vorgezogenen Recyclingbeitrags
                                                                                                                        Leiter, der nicht korrodieren kann. Das         von 50 Rappen pro Bildschirm decken. Öko-
                                                                                                                       ­Metall wird deshalb in Elektronikbauteilen      logisch jedoch ist die Sache klar: Einen Berg
                                                                                                                       wie Schaltkontakten oder Leiterplatten ver-      ausgedienter Bildschirme hat einen höheren
                                                                                                                       wendet.                                          Indiumanteil als eine Mine mit dem gleichen
                                                                                                                             Das Problem: Insbesondere Neodym           Volumen, aus der das Indium als Primärroh-
                                                                                                                        und Indium gelten als kritische Metalle. Das    stoff gewonnen wird. Auch sind die Umwelt-
                                                                                                                        heisst, es besteht zum einen ein Risiko des     wirkungen beim Recycling laut Studie gleich
                                                                                                                       Versorgungsunterbruchs, da die beiden            hoch, wenn nicht sogar besser als bei der
                                                                                                                        selte­nen Elemente fast ausschliesslich in      Primärproduktion aus Mineralien. Dies gilt
                                                                                                                       China abgebaut werden. Zum anderen wird          aber nur, wenn die ausgedienten Geräte im
                                                                                                                        ihre Bedeutung für Schlüsseltechnologien        ersten Verarbeitungsschritt manuell zerlegt
                                                                                                                       als hoch und die Auswirkungen möglicher          und nicht mechanisch zerkleinert werden.
                                                                                                                        Unter­brüche als besonders gravierend ein­           Bei Neodym ist die Bilanz aus ökologi-
                                                                                                                        gestuft.                                        scher Sicht sogar noch eindeutiger: Stammt
                                                                                                                             Doch genau genommen besitzt auch die       das Material aus dem Recyclingprozess,
                                                                                                                        Schweiz Minen für diese drei Rohstoffe. Und     dann belastet dies die Umwelt um einen
                                                                                                                       zwar unter anderem in elektronischen Ge­         Drittel weniger, als wenn es aus einer Mine
                                                                                                                        räten, die in Gebrauch stehen oder schon        gewonnen wird.
                                                                                                                       ausgedient haben. Die Empa-Doktorandin
                                                                                                                        Esther Thiébaud von der Abteilung «Techno-      Die Menge machts
                                                                                                                        logie und Gesellschaft» hat nun erstmals        Ähnlich wie Gold befinden sich auch Indium
                                                                                                                        untersucht, wo sich die drei seltenen Metal-    und Neodym klar lokalisiert in separierba-
                                                                                                                        le in der Schweiz finden lassen – und wie       ren Komponenten eines elektronischen Ge-
                                                                                                                       viel davon für einen weiteren Gebrauch be-       räts. Auch wäre die Wiedergewinnung der
                                                                                                                        reits verloren ist.                             Rohstoffe machbar, wenn auch mit einigem
                                                                                                                             Thiébauds Analyse zeigte, dass sich bei    Aufwand. Warum also werden diese Metalle
                                                                                                                       allen drei Stoffen der grösste Anteil in Gerä-   bisher nicht zurückgewonnen?
                                                                                                                        ten befindet, die zurzeit im Gebrauch sind.          Dazu lohnt es sich, die Mengen zu be-
                                                                                                                        Dann trennen sich die Wege der Elemente:        trachten. Indium wird erst seit der Jahrtau-
                                                                                                                        Der zweitgrösste Anteil an Indium befindet      sendwende in nennenswerten Mengen ge-
                                                                                                                        sich in der Schlacke aus Müllverbrennungs-      nutzt. Im Jahr 2014, für das die aktuellsten
                                                                                                                       anlagen – und ist damit für eine Rückgewin-      Zahlen vorliegen, waren in der Schweiz 1,7
                                                                                                                        nung verloren. Dasselbe gilt für den zweit-     Tonnen des Metalls in Geräten vorhanden,
                                                                                                                        grössten Anteil an Neodym; er findet sich in    die noch in Gebrauch waren. Die Geräte, die
                                                                                                                        Schlacke aus Metallhütten, die für den Bau-     im gleichen Jahr entsorgt wurden, enthiel-
                                                                                                                        bereich verwendet wird. Gold hingegen wird      ten insgesamt aber nur 135 kg Indium. Rund
                                                                                                                        bereits heute aus ökonomischen Gründen zu       ein Drittel davon erreichten den Recycling-
                                                                                                                       70% wiedergewonnen, wenn Geräte ihren            prozess gar nicht – etwa, weil die Geräte in
    Gold aus elektronischen Kontakten wird heute grössten-                                                              Lebenszyklus beendet haben. Während also        den normalen Kehricht geworfen oder ins
    teils wiedergewonnen –Indium und Neodym hingegen
                                                                                                                        bei Gold die Recyclingquote schon sehr gut      Ausland ausgeführt wurden. Von den 90 kg
    gehen verloren.
                                                                                                                        ist, wird Neodym und Indium in der Schweiz      Indium, die den Recyclingprozess durchlie-
                                                                                                                        noch überhaupt nicht zurückgewonnen.            fen, endeten laut Studie 90% in Kehrichtver-
                                                                                                                                                                                                                >>
EmpaQuarterly - Heimische Werte Architektin der Energie
12 //   FOKUS Ressourcen aus der Schweiz                                                                                                                                                                      FOKUS Ressourcen aus der Schweiz     // 13
>>

brennungsanlagen, 5% gehen im Schmelz-
                                                                                                                                     Zweites Leben für Altbauten
prozess verloren – und nur 5% wurden für
eine allfällige zukünftige Wiederaufberei-
tung aufbewahrt.
     Neodym ist schon seit Anfang der 80er-
                                                                                                                                                               Ein neues, an der Empa entwickeltes Baumaterial kommt auf den
Jahre in grösseren Mengen in verkauften                                                                                                                        Markt: Mit Memory-Steel lassen sich nicht nur neue, sondern auch
Elektronikgeräten vorhanden. 2014 befan-                                                                                                                       bestehende Betonstrukturen verstärken – ein probates Mittel, um
den sich 39 Tonnen Neodym in noch genutz-
ten Geräten, die im gleichen Jahr entsorgten
                                                                                                                                                               Altbauten für neue Nutzungen vorzubereiten.
Geräte enthielten 3,9 Tonnen. Davon er-
reichten immerhin 2,8 Tonnen den Recyc-
lingprozess, wo das Element indes in der
Schlacke des Schmelzprozesses endete.
Beim Gold liegen die Zahlen dazwischen:
4,8 Tonnen waren in Geräten, 440 Kilo wur-
den in goldhaltigen Komponenten separiert,
und 330 Kilo davon erreichten den Recyc-
lingprozess. Ab da sind die Verluste gering:
Das Gold, welches die Phase der manuellen
Zerlegung erreicht, kann zu 95% wiederge-
wonnen werden.
     An den Mengen allein kann es also nicht
liegen, dass nur beim Gold der zusätzliche
Aufwand für die Rückgewinnung betrieben
wird. Interessant wird es, wenn man den
Wert der Metalle betrachtet: Die 90 kg Indi-
um, die im Entsorgungsprozess landen, sind
zurzeit 36 000 US-$ wert; 2800 Kilo Neodym                                                                                                                     TEXT: Rainer Klose / BILDER: Empa
200 000 US-$ und 330 Kilo Gold 13 600 000

                                                                                                                                                               B
US-$. Bei Gold lohnt sich also der Aufwand                                                                                            links                            islang wurden die Stahl-Armierungen in Betonbauwerken meist hydraulisch vorge-
wirtschaftlich betrachtet trotz der geringen                                                                                          Armierungsstäbe                  spannt. Dazu sind Hüllrohre für die Führung der Spannkabel, Anker zur Kraftüber-
Mengen – bei Neodym und Indium ist die                                                                                                aus Memory-Steel                 tragung und ölgefüllte Hydraulikpressen notwendig. Der Raumbedarf all dieser Ap-
                                                                                                                                      sind seit Ende 2018
finanzielle Motivation für die Recyc­    ling­                                                                                        auf dem Markt.
                                                                                                                                                                paraturen schuf die geometrischen Rahmenbedingungen für jedes Bauwerk aus Spannbeton;
unter­neh­men hingegen (noch) gering.                                                                                                                          die nachträgliche Versteifung älterer Bauten scheitert daher bisweilen am hohen Platzbedarf
     «Der weitaus grösste Anteil an Neodym                                                                                            rechts                   dieser bewährten Methode.
und Indium ist immer noch in den aktuell                                                                                              Verstärkung einer             In rund 15 Jahren Forschungsarbeit haben Experten der Empa und des Spin-offs
genutzten Geräten», erklärt Esther Thiébaud.                                                                                          Altbau-Zwischendecke     ­Refer AG nun eine alternative Methode zur Serienreife gebracht: Formgedächtnislegierungen
                                                                                                                                      mit Hilfe von Streifen
«Eine geringfügige Erhöhung des vorgezoge-                                                                                            aus Memory-Steel.
                                                                                                                                                               auf Eisenbasis, die sich beim Erhitzen zusammenziehen und die Betonstruktur so dauerhaft
nen Recyclingbeitrags würde bereits genü-                                                                                                                      vorspannen. Auf hydraulische Vorspannung kann dadurch verzichtet werden – es genügt,
gen, um das Recycling wirtschaftlich attrak-                                                                                                                   den Stahl kurz zu erhitzen, etwa durch elektrischen Strom oder mittels Infrarotstrahler.
tiv zu machen.» Bis dahin wäre es zumin-                                                                                                                       Unter dem Namen Memory-Steel wird der neue Baustoff ab sofort vertrieben. Mehrere Pilot­
dest sinnvoll, Bauteile mit einem relativ                                                                                                                       projekte, etwa die Verstärkung von Stahlbetondecken, verliefen bereits erfolgreich.
hohen Anteil an Indium und Neodym zwi-
schenzulagern – damit die Rohstoffe nicht                                                                                                                      Neue Möglichkeiten für alte Gebäude
für immer verloren sind. //                                                                                                                                    Memory-Steel eignet sich ganz besonders dafür, bestehende Gebäude nachträglich zu ver-
                                                                                                                                                               stärken. Sobald zum Beispiel in die Betonstruktur eines Altbaus neue Fenster, Türen oder
                                                                                                                                                               Aufzugsschächte eingebaut werden, ist eine Verstärkung der Tragstruktur oft unumgänglich.
                                                 Oben                                                                                                          Bei Industriegebäuden muss bisweilen die Traglast einer alten Zwischendecke erhöht wer-
                                                 LCD-Bildschirme enthalten kleine Mengen an Indium. Ökologisch gesehen lohnt                                   den. Dank Memory-Steel sind solche Aufgaben nun auch in engen Räumen gut lösbar:
                                                 es sich, das Material zu extrahieren – doch nur dann, wenn die Geräte manuell                                 Entweder wird ein Streifen des Spezialstahls mittels Dübeln unter der Decke befestigt und
                                                 auseinandergenommen werden.
                                                                                                                                                               dann mit Strom oder per Infrarotstrahler erhitzt. Alternativ dazu kann die Verstärkung auch
                                                 Unten                                                                                                         einbetoniert werden.
                                                 Indium und Neodym gelten als kritische Metalle: Es besteht ein Risiko von Versor-
                                                 gungsunterbrüchen, da die beiden seltenen Elemente fast ausschliesslich in China                              Markteinführung von Memory-Steel
                                                 in riesigen Minen abgebaut werden. Das Risiko ist enorm: Schlüsselindustrien
                                                 können ohne diese Materialien nicht arbeiten. Ein Versorgungsengpass würde
                                                                                                                                                               Die einbaufertigen Profile aus Memory-Steel werden von der Voestalpine Böhler Edelstahl
                                                 gewaltige Schäden verursachen.                                                                                GmbH & Co KG in Österreich hergestellt. Ausserdem entwickelt die Firma gemeinsam mit
                                                                                                                                                               Refer und der Empa die Zusammensetzung der Legierung weiter. //
EmpaQuarterly - Heimische Werte Architektin der Energie
14                                                                                                                                                                                                        FOKUS Ressourcen aus der Schweiz                    // 15

     Wärme aus der Konserve                                                                               können wir mit Hilfe gespeicherter Wärme
                                                                                                          CO2-Emissionen einsparen und die wach-
                                                                                                          sende Spitzenlast auf den elektrischen Net-
                                                                                                                                                           steht. Phasenwechselspeicher können
                                                                                                                                                           aber auch mit Paraffin oder mit speziellen
                                                                                                                                                           Salzen anstatt mit reinem Wasser betrieben
                                                                                                          zen verringern.» Aber wie lassen sich grosse     werden.
                                                                                                          Wärmemengen vom Sommer in den Winter
                                                                                                          überführen? Man kann die Technologien in         Sorptionsspeicher
            Der Ausbau von Solarenergie und das Abschalten von Atom-                                      vier Kategorien einteilen (siehe Grafik auf      Im Sorptionsspeicher wird eine «trockene»
            kraftwerken wird unsere Energieversorgung drastisch verändern:                                der folgenden Doppelseite). Die Empa ist auf     Substanz beispielsweise mit Wasser ange-
            Überschüsse an Strom und Wärme entstehen im Sommer, im                                        allen Gebieten mit Forschungsprojekten           feuchtet. Die Wasseraufnahme erzeugt Wär-
                                                                                                          aktiv.                                           me. Ist die Substanz vollständig durchfeuch-
            Winter mangelt es an beidem. Abhilfe könnten Wärmespeicher-                                                                                    tet, hat der Speicher seine gesamte Wärme-
            technologien bringen, die Sommerwärme bis in den Winter                                       Erdbecken- und Erdsondenspeicher                 energie abgegeben. Zum Aufladen benötigt
            konservieren können. Die Empa forscht daran.                                                  Erdbeckenspeicher sind besonders grosse,         er wieder Wärme, die das Wasser verdampft
                                                                                                          abgedeckte Speicherbecken, die wie er-           beziehungsweise die Substanz wieder
                                                                                                                                                                                                          Luca Baldini leitet die Forschungsgruppe BEST – «Building
                                                                                                          wähnt mit Wasser oder einer Wasser-Kies-         «trocknet». Manche dieser Speicher arbeiten
                                                                                                                                                                                                          Energy Systems and Technologies» an der Empa.
                                                                                                          Mischung gefüllt sind. Das Wasser in so ge-      mit Zeolith, einem porösen, künstlich herge-
                                                                                                          nannten Nutzwärmespeichern wird, zum             stellten Silikatmineral. Auch mikroporöse,
                                                                                                          Beispiel mit Abwärme aus der Industrie, auf      metallorganische Materialien, so genannte
                                                                                                          bis zu 90 Grad Celsius aufgeheizt, die Wär-      MOFs, werden untersucht.
                                                                                                          me kann direkt verbraucht werden.                     Die Empa forscht in verschiedenen Pro-    unser künftiges Energiesystem eine ent-
                                                                                                          Niedertemperaturspeicher werden dagegen          jekten auf dem Gebiet. Matthias Koebel un-     scheidende Frage.
                                                                                                          bei 5 bis 25 Grad betrieben. Daraus wird die     tersuchte im NFP70-Projekt «THRIVE» ge-
                                                                                                          Wärme mit Hilfe von Wärmepumpen ent-             meinsam mit IBM Research in Rüschlikon         Wärme speichern, Geld verdienen
                                                                                                          nommen. Auch Erdsonden zählen zu dieser          Adsorptionswärmespeicher, die Bestandteile     Während bei der ersten Generation von Wär-
                                                                                                          Art Speicher.                                    künftiger Klimaanlagen werden könnten.         mespeichern Solarwärme aus Sonnenkollek-
                                                                                                               Baldinis Arbeitsgruppe ermittelt via        Luca Baldini forscht mit seiner Gruppe BEST    toren direkt genutzt wurde, scheint es heute
                                                                                                          Computersimulation, wie viel Wärme ein           an flüssigen Speichersystemen aus konzent-     sinnvoller, Wärmespeicher mittels Solar-
                                                                                                          Erdsondenfeld maximal speichern kann und         rierter Natronlauge. Die Lauge setzt beim      strom und elektrischen Wärmepumpen auf-
                                                                                                          wie sich dessen Betrieb optimieren lässt, um     Verdünnen mit Wasser Wärme frei; zum           zuladen. Dadurch erreicht man eine Kopp-
                                                                                                          insgesamt möglichst wenig CO2 auszustos-         Wiederaufladen des Speichers muss die Lau-     lung zum Stromnetz, und es wird möglich,
                                                                                                          sen. In einem solchen Feld heizt sich der        ge erhitzt und dadurch entwässert werden.      das Netz zu stabilisieren: Wenn im Sommer
                                                                                                          Boden am Rand des Feldes weniger stark, in            Thermochemische Speicher sind leis-       Solar- und Windkraftwerke zu viel Strom
                                                                                                          der Mitte des Feldes aber stärker auf. Ein       tungsfähiger als Erdbecken- und Phasen-        liefern und eine Netzüberlastung droht,
                                                                                                          solches Erdsondenfeld würde geringere            wechselspeicher. Sie eignen sich daher für     könnten die Speicher-Wärmepumpen den
                                                                                                          Wärmeverluste erleiden als einzelne Erdson-      kompakte saisonale Wärmespeicher in ein-       überschüssigen Strom abnehmen und die
                                                                                                          den und könnte im Winter den CO2-Ausstoss        zelnen Gebäuden.                               Wärmespeicher aufladen. Schon heute wird
                                                                                                          und die Spitzenlast auf den elektrischen Net-                                                   der Verbrauch von Überschussstrom als
                                                                                                          zen deutlich verringern.                         Power-to-Gas-Anlagen                           Dienstleistung bezahlt. Der Bedarf nach die-
                                                                                                                                                           Bei der Power-to-Gas-Technologie wird zum ser «Regelleistung» wird in Zukunft stark
                                                                                                          Phasenwechselspeicher                            Aufladen des Energiepeichers nicht Wärme, wachsen. Man kann also mit dem Einlagern
            TEXT: Rainer Klose / BILDER: QC-Expert AG, Empa                                               Hier kühlt sich das Speichermedium bei der       sondern Elektrizität verwendet: Überschüs- von Wärme sogar Geld verdienen.
                                                                                                          Wärmeentnahme ab, bis sich dessen Aggre-         siger Strom aus Solar- oder Windenergie, der        Eine weitere Chance bietet sich darin,
                                                                                                          gatzustand ändert, etwa von flüssig zu fest.     im Sommer nicht sofort genutzt werden die (Ab-)Wärme aus der sommerlichen Kli-

            U
                     nser Forschungsgebiet ist nicht ganz   das bereits seit Mitte der 1980er-Jahre er-   Zusätzlich zur Wärme aus der Flüssigkeit         kann, wird mittels Elektrolyse von Wasser in matisierung von Gebäuden abzuleiten und
                     neu, aber wir erleben gerade eine      forscht. Es gab Pionieranlagen zur Wärme-     gewinnt man dadurch die Kristallisations-        Wasserstoff umgewandelt und kann dann in für den Winter zu speichern. Bis jetzt geben
                     Renaissance», sagt Luca Baldini. Er    speicherung etwa an der Universität Stutt-    energie, die beim Festwerden freigesetzt         Gasflaschen gespeichert werden. In einem die meisten Klimaanlagen ihre Hitze an die
            ist Mitarbeiter der Empa-Abteilung «Urban       gart. Diese einfachen Wärmespeicherbecken,    wird. Ein Eisspeicher etwa gibt gerade ein-      weiteren Schritt ist es möglich, aus Wasser- Umgebung ab, was städtische Gebiete – die
            Energy Systems» und leitet dort die For-        gefüllt mit Wasser oder einem Wasser-Kies-    mal ein Drittel seiner gespeicherten Energie     stoff und CO2 Methan (CH4) zu erzeugen – im Sommer ohnehin Hitzeinseln im Ver-
            schungsgruppe «BEST – Building Energy           Gemisch wurden über die Jahre weiterent-      durch das Abkühlen des Wassers von 30 auf        das ist künstlich hergestelltes Erdgas. Dieses gleich zu ihrer Umgebung sind – noch zu-
            Systems and Technologies». Baldini und sei-     wickelt, vor allem in Deutschland und in      0 °C ab; zwei Drittel der Energie werden frei,   Gas kann im bereits bestehenden Erdgasnetz sätzlich aufheizt.
            ne Kollegen sind Spezialisten, wenn es dar-     Skandinavien.                                 wenn das Wasser dann gefriert. Ein weiterer      eingelagert und verteilt werden.
            um geht, im Sommer gewonnene Energie bis                                                      Vorteil: Die Wärmeverluste an die Umge-               Der Vorteil dieser Technologie: Aus der Mitarbeit in politischen Gremien
            in die Wintermonate zu speichern.               Vernetzung statt Autarkie                     bung sind je nach Schmelztemperatur ge-          gespeicherten Energie lässt sich nicht nur Um die Energiewende zu verwirklichen, darf
                 «Wenn man über Speichertechnik             Nun steht ein Paradigmenwechsel an, den       ring – bisweilen wird sogar Umgebungswär-        Wärme, sondern auch Elektrizität gewinnen. die Forschung an Wärmespeichern nicht im
            spricht, denken die meisten sofort an Elekt-    Baldini so beschreibt: «Früher waren saiso-   me gewonnen, wenn der Speicher im Boden          Die Empa untersucht die Power-to-Gas- Verborgenen stattfinden. Luca Baldini ist da-
            rizität und an Batterien», sagt der Forscher.   nale Wärmespeicher etwas für Öko-Freaks,      eingegraben ist.                                 Technologie in ihrem Mobilitätsdemonstra- her etwa im «Forum Energiespeicher» der
            «Doch im Sektor Privathaushalte ist im Win-     die ihr Häuschen ganz allein autark durch          Die Empa betreibt einen knapp 70 Ku-        tor Move in Dübendorf.                         AEE Suisse aktiv, der Dachorganisation der
            ter mehr als 90 Prozent des Energiever-         den Winter bringen wollten. Heute gilt es,    bikmeter grossen Eisspeicher, der zur kom-            Wie viel der elektrischen Überschuss- Wirtschaft für erneuerbare Energien und
            brauchs Wärme. Wir müssen also auch dar-        Wärmespeicher landesweit einzusetzen          binierte Wärme- und Kälteversorgung des          energie in Wärmespeicher oder aber in che- Energieeffizienz. Die AEE Suisse nimmt an
            über nachdenken, wie wir Wärme speichern        und mit anderen Energieflüssen, etwa der      Forschungsgebäudes NEST dient und gleich-        mische Energieträger wie Wasserstoff oder Vernehmlassungen teil und organisiert par-
            können – nicht nur Strom.» Tatsächlich wird     Elektrizitätsversorgung, zu vernetzen. So     zeitig für Forschungszwecke zur Verfügung        Methan umgewandelt werden soll, ist für lamentarische Anlässe. //
EmpaQuarterly - Heimische Werte Architektin der Energie
16 //   FOKUS Ressourcen aus der Schweiz                                                                                                            FOKUS Ressourcen aus der Schweiz          // 17

                              Saisonale Energiespeicher.
                              Welche Technik wofür?

 Erdbecken-/Erdsondenspeicher                                                                                  entladen                  Phasenwechselspeicher
                                                                      entladen
 = Speicher für sensible Wärme                                                                                                           = Speicher für latente Wärme

 Material Wasser oder Wasser-Kies-Gemisch, Erdreich                                                                                      Material Wasser, Salzösung oder Paraffin (flüssig/fest).
 Vorteil  einfache, robuste Technik                       25–90 °C               3–20 °C            flüssig                  fest        Vorteil  mehr Speicherkapazität pro Volumen als bei
 Nachteil lohnt nur für Grossspeicher ab ca. 100 Kubik-                                                                                           Erdbecken-Erdsonden-Speichern.
          meter, Wärmeverlust an Umgebung                                                                                                Nachteil teureres Speichermedium (Salz, Paraffin).
 Funktion Speicher wird mit Überschusswärme aufge-          20 m     aufladen     20 m                         aufladen                           Bei Eisspeichern Wärmepumpe notwendig.
          heizt, Wärme wird direkt oder über eine 		                                                                                     Funktion Speicherung in Form von Kristallisationsenergie:
          Wärmepumpe genutzt.                                                                                                                     Wasser wird zu Eis, Paraffin wird fest. Beim
                                                                                                                                                  Verfestigen wird Wärme frei. Beim Verflüssigen
                                                                                                                                                  wird Energie gespeichert.

 Sorptionsspeicher                                                   entladen                                  entladen                  Power-to-Gas-Anlagen
 = thermochemische Speicher                                                                Erdgas                                        = Elektrolyse mit Überschussstrom
                                                                                           +
                                                          trocken                feucht    Biogas                         entladen
 Material Natronlauge, Zeolith oder MOF («metal-organic                                                                                  Material Wasserstoff, Erdgas
          frameworks»)                                                                                                                   Vorteil  speichert Elektrizität, erzeugt Wärme und
 Vorteil  höhere Energiedichte, verlustfreie Lagerung,                                                                                            Elektrizität zugleich. Verlustfreie Lagerung.
          auch Kleinspeicher sind möglich                                                                         H2                 +   Nachteil hohe Verluste beim Umwandeln von Elektrizität
 Nachteil teures Speichermedium, komplexere Technik                                           CH4                                                 in Wasserstoff oder Erdgas.
 Funktion Wärme ist im entwässerten Medium gespeichert.              aufladen                                                            Funktion überschüssiger Solar- und Windstrom wird
          Beim Anfeuchten wird Wärme frei.                                                             + CO2               +H2O                   per Elektrolyse in Wasserstoff verwandelt.
          Beim Austrocknen wird Energie gespeichert.                                                                                              Aus Wasserstoff kann Erdgas erzeugt werden.
                                                                                                                                                  Nutzung der gespeicherten Energie mit
                                                                                                    aufladen              aufladen                Brennstoffzellen, Gasturbinen oder Motoren.
EmpaQuarterly - Heimische Werte Architektin der Energie
18 //   FOKUS Ressourcen aus der Schweiz                                                                                                                                                                                                                        FOKUS Ressourcen aus der Schweiz                 // 19

Ganz schön verfault
                                                                Pilze, die normalerweise Baumstämme zersetzen, können auch                                     deutlich voneinander abgegrenzt. Die feinen    präzis. Morris ist sich sicher, dass den Pilzen   Produkte aus Schweizer Buche
                                                                                                                                                               Fäden der Pilzgemeinschaft schützen mit        beizeiten sogar das Schreiben von Worten          Gemeinsam mit dem Industriepartner Koster
                                                                Kunstwerke ins Holz zaubern. In der Natur verzieren die Fäulnis­
                                                                                                                                                               diesen Demarkationslinien ihre Kolonie aber    im Holz abgerungen werden kann.                   Holzwelten AG in Arnegg (SG) sind die For-
                                                                erreger den Baum jedoch nicht nur, sie zerstören ihn auch. Empa-                               nicht nur vor anderen Pilzen – die Pigment-                                                      scher daran, einen effizienten und ökolo-
                                                                Forscher bringen den Pilzen im Labor nun das Zeichnen bei. Dabei                               grenze sorgt zudem dafür, dass Bakterien       Holzstruktur bleibt stabil                        gisch nachhaltigen Produktionsweg zu im-
                                                                                                                                                               und Insekten fernbleiben und dem Lebens-       Besonders vorteilhaft an den im Empa-Labor        plementieren. Hierzu gehört die Nutzung
                                                                entstehen marmorierte Hölzer, die zu wunderschönen Möbeln und
                                                                                                                                                               raum ein ideales Mass an Feuchtigkeit erhal-   verwendeten Pilzen ist deren sanfter Biss:        regionalen Holzes. «Buchenholz ist ein in
                                                                Musikinstrumenten verarbeitet werden können.                                                   ten bleibt.                                    Denn trotz des ausgeprägten Zeichentalents        der Schweiz häufiges, aber für Möbeldesig-
                                                                                                                                                                                                              zernagen die ausgewählten Kandidaten ih-          ner uninteressantes Hartholz», erklärt Fir-
                                                                                                                                                               Schwarze Linien aus Melanin                    ren Untergrund kaum. «Das Holz wird zwar          meninhaber Tobias Koster. Mit Marmorholz
                                                                                                                                                               «Wir konnten in der Natur wachsende Pilz-      von den Pilzen grosszügig mit Pigmenten           aus einheimischer Buche könne man jedoch
                                                                                                                                                               arten identifizieren und analysieren, um       versorgt, behält aber seine Stabilität und        am Schweizer Holzmarkt, dessen jährlicher
                                                                                                                                                               jene mit den günstigsten Eigenschaften als     Form bei», so der Biologe.                        Umsatz rund drei Milliarden Franken betra-
 TEXT: Andrea Six / BILDER: Jan Thornhill, Empa                                                                                                                Holzveredler auszuwählen», sagt Empa-For-           Dass der Prozess je nach gewünschtem         ge, gesuchte Produkte anbieten.
                                                                                                                                                               scher Hugh Morris von der Abteilung «Ap-       Ergebnis gesteuert werden kann, liegt je-              Zusätzlich zu Möbeln, Parkettböden
                                                                                                                                                               plied Wood Materials» in St. Gallen. Der       doch nicht nur an der Art der verwendeten         und Küchenfronten kann Marmorholz auch

M
          itunter entdeckt man Schönheit an                     lässt, muss Jahre warten, bis er hoffen kann,   Kampfes. Mal schlängeln sie sich unruhig       Brandkrustenpilz etwa oder die Schmetter-      Fäulniserreger. Die Forscher entwickelten         für dekorative Objekte und Musikinstrumen-
          ganz ungewöhnlichen Orten. Wie                        ein von Pilzen verziertes und dennoch nutz-     aufeinander zu und trennen kleine Parzellen    lingstramete hinterlassen mit dem Farbstoff    zudem ein Verfahren, bei dem das Holz be-         te verwendet werden. Bereits in der Antike
          Phoenix aus der Asche entsteht                        bares Holz zu erhalten. Forscher der Empa       auf ihrem hellen Untergrund ab. An anderen     Melanin pigmentierte schwarze Linien und       reits innert Wochen zur Verarbeitung bereit-      wurden aus dem gemusterten Holz Unikate
beispielsweise aus faulendem Holz am                            haben nun eine Technologie entwickelt, mit      Stellen fliessen die dunklen Zeichnungen       bleichen gleichzeitig das umliegende Holz      steht. Grund ist unter anderem, dass die          geschaffen. Mit der neuen Technologie las-
Waldboden die begehrte Trüffelbuche. Ein-                       der Harthölzer wie Buche, Esche und Ahorn       ruhig und gelassen als Mahnmal einer Gren-     dank ihres Enzyms Laccase aus. «So entsteht    gewählten Pilzarten bei deutlich geringerer       sen sich diese Einzelstücke nun schneller,
zigartig gemustert, ist sie seit der Antike ein                 mit Pilzkulturen behandelt werden können,       ze, die keiner der Beteiligten überschreiten   ein Muster mit besonders starkem Kontrast      Feuchtigkeit im Holz zur Tat schreiten. Da-       nachhaltiger und erst noch mit der ge-
gesuchter Rohstoff für die Möbelherstellung.                    so dass sich die Musterung im Holz kontrol-     mag                                            im Holz», erklärt Morris.                      her muss der Rohstoff nach seiner Veredlung       wünschten Marmorierung herstellen. //
Nur ist die Suche nach natürlich entstande-                     lieren, steuern lässt.                               Pilze haben hier im Holz ein Gefecht um        Je nach Kombination der eingesetzten      und vor der Verarbeitung zum Möbel nicht
nen Trüffelbuchen aufwändig. Selbst wer                              Die feinen schwarzen Linien ziehen         Territorium und Ressourcen ausgetragen         Pilzspezies, gestalten sich die Linien wild    erst langwierig, kosten- und energieintensiv
Baumstämme absichtlich im Wald verrotten                        sich hierbei durch das Holz als Spuren eines    und sich mit dunkel pigmentierten Linien       und ungestüm oder nahezu geometrisch           getrocknet werden.

 Magie der Natur: Pilze, die totes Holz besiedeln, erzeugen mit ihren                                                                                                                                                                                           Marmorholz aus dem Labor: Je nach verwendeter Pilzart
 Pigmenten ein bezauberndes Muster aus Farben und Linien.                                                                                                                                                                                                       lässt sich der Verlauf der Muster im Holz steuern.
20 //   FOKUS Ressourcen aus der Schweiz                                                                                                                                                                                             FOKUS Ressourcen aus der Schweiz   // 21

                      Das Ohr aus dem
                      3-D-Drucker
                      Aus Holz gewonnene Nanocellulose verfügt über erstaunliche
                      Materialeigenschaften. Empa-Forscher bestücken den biologisch
                      abbaubaren Rohstoff nun mit zusätzlichen Fähigkeiten, um
                      Implantate für Knorpelerkrankungen mittels 3-D-Druck fertigen
                      zu können.

                      TEXT: Andrea Six / BILDER: Empa

                      A
                             lles beginnt mit einem Ohr. Empa-Forscher Michael Hausmann entfernt das Objekt
                             in Form eines menschlichen Ohrs aus dem 3-D-Drucker und erklärt: «Nanocellulose
                             lässt sich in zähflüssiger Form hervorragend mit dem Bioplotter zu komplexen räum-
                      lichen Formen gestalten.» Einmal ausgehärtet, bleibt die produzierte Struktur trotz ihrer
                      Zartheit stabil. Hausmann untersucht derzeit die Charakteristika des Nanocellulose-Hydro-                                                                                      Mit dem Bioplotter lässt sich das zähflüssige Nanocellulose-
                      gels, um die Stabilität und den Druckprozess weiter zu optimieren. Wie die Zellulose in dem                                                                                    Hydrogel zu komplexen Formen ausdrucken.
                      Biopolymerkomposit verteilt und organisiert ist, ermittelte der Forscher bereits durch rönt-
                      genanalytische Untersuchungen.

                                                                                                                                                    Momentan besteht das ausgedruckte Ohr zwar lediglich aus Nanocellulose und einer zu-
                                                                                                                                                    sätzlichen Biopolymerkomponente. Ziel ist es jedoch, das Grundgerüst mit körpereigenen
                                                                                                                     Ohr aus dem 3-D-Drucker:
                                                                                                                     Empa-Forscher Michael
                                                                                                                                                    Zellen und Wirkstoffen zu bestücken, um biomedizinische Implantate zu erzeugen. Wie
                                                                                                                     Hausmann nutzt Nanocellulose   sich beispielsweise Knorpelzellen in das Gerüst integrieren lassen, wird derzeit in einem
                                                                                                                     als Basis für neuartige        neuen Projekt erforscht.
                                                                                                                     Implantate.                         Sobald die Besiedlung des Hydrogels mit Zellen etabliert ist, könnten die Nanocellulose-
                                                                                                                                                    basierten Komposite in Ohrform Kindern mit einer angeborenen Ohrmuschelfehlbildung als
                                                                                                                                                    Implantat dienen. Bei der so genannten Mikrotie etwa sind die äusseren Ohren nur unvoll-
                                                                                                                                                    ständig ausgebildet. Mit einer Rekonstruktion der Ohrmuschel wird die Fehlbildung kosme-
                                                                                                                                                    tisch, aber auch medizinisch behoben, da die Hörfähigkeit ansonsten stark eingeschränkt
                                                                                                                                                    sein kann. Im weiteren Verlauf des Projekts sollen die Nanocellulose enthaltenden Hydro-
                                                                                                                                                    gele auch für Kniegelenksimplantate bei Gelenkverschleiss etwa durch chronische Arthritis
                                                                                                                                                    eingesetzt werden.

                                                                                                                                                    Das Implantat löst sich im Körper auf
                                                                                                                                                    Ist das Implantat einmal im Körper eingepflanzt, kann sich ein Teil des Materials biologisch
                                                                                                                                                    abbauen und mit der Zeit im Körper auflösen. Nanocellulose selbst wird zwar nicht abge-
                                                                                                                                                    baut, eignet sich aber als biokompatibles Material dennoch gut als Implantat-Gerüst. «Zu-
                                                                                                                                                    sätzlich machen die mechanischen Eigenschaften die Nanocellulose zu einem eleganten
                                                                                                                                                    Kandidaten, da die winzigen, aber stabilen Fasern beispielsweise Zugkräfte sehr gut aufneh-
                                                                                                                                                    men», so Hausmann.
                                                                                                                                                         Zudem erlaubt die Nanocellulose, Funktionen über ganz unterschiedliche chemische
                                                                                                                                                    Modifizierungen in das zähflüssige Hydrogel einzubinden. So lassen sich Struktur, mecha-
                                                                                                                                                    nische Kapazität und die Interaktion der Nanocellulose mit ihrer Umgebung je nach ge-
                                                                                                                                                    wünschtem Endprodukt variieren. «Auch Wirkstoffe, die das Wachstum der Knorpelzellen
                                                                                                                                                    begünstigen oder Gelenkentzündungen lindern, lassen sich in das Hydrogel einbauen», sagt
                                                                                                                                                    der Empa-Forscher. Nicht zuletzt ist der Rohstoff Cellulose das am häufigsten vorkommen-
                                                                                                                                                    de natürliche Polymer auf der Erde. Die Nutzung der kristallinen Nanocellulose profitiert
                                                                                                                                                    demnach nicht nur von der schlichten Eleganz des Verfahrens, sondern auch von der ein-
                                                                                                                                                    fachen Verfügbarkeit des Rohstoffs.
                                                                                                                                                         Das weisse Ohr aus Nanocellulose liegt glänzend auf dem Glasträger. Frisch aus dem
                                                                                                                                                    Bioplotter entnommen, ist es bereits robust und formstabil. Hausmann kann für die künfti-
                                                                                                                                                    gen Projektschritte grünes Licht geben. //
22 //   FOKUS Ressourcen aus der Schweiz                                                                                                                                   FOKUS Ressourcen aus der Schweiz      // 23

                                           Empa-Know-how für die
                                           Industrie: Franziska

                                                                         Brandschutz aus Altpapier
                                           Grüneberger und Willi Senn
                                           entwickelten ein neues
                                           Bindeverfahren, welches
                                           den Isofloc-Dämmstoff deut-
                                           lich feuerfester macht als
                                           bisher. Hier stehen die
                                           beiden im Brandlabor, in
                                           dem die entscheidenden                                                         Empa-Wissenschaftler haben gemeinsam mit der Isofloc AG einen
                                           Versuche stattfanden.
                                                                                                                          Dämmstoff aus Altpapier entwickelt, der sich für vorfabrizierte
                                                                                                                          Holzbauelemente auch in mehrgeschossigen Holzhäusern eignet
                                                                                                                          und die Konstruktion wirksam vor Feuer schützt. Das Bindemittel
                                                                                                                          ist eine für Mensch, Tier und Umwelt unbedenkliche Substanz.

                                                                         TEXT: Rainer Klose / BILDER: Empa

                                                                         E
                                                                                ntscheidend ist, was der Altpapier-Faserwürfel nicht macht:        Induktion? Schliesslich fand sich aus der grossen Reihe von «Ver-
                                                                                zerbröseln. Genau diese Eigenschaft ist wichtig, um tragende       dächtigen» der gewünschte Stoff – eine Substanz aus der Lebensmit-
                                                                                Elemente von Holzhäusern lange vor Feuer zu schützen. Ge-          telindustrie. Laborversuche an der Empa und bei der Isofloc AG in
                                                                         nau diese Festigkeit ist jedoch in der industriellen Herstellung von      Bütschwil zeigten auch im Brandfall eine zuverlässige Verbindung
                                                                         Dämmstoffschichten schwer zu erreichen. «Wir haben es hier nicht          des Zelluloseflockengefüges.
                                                                         mit Dämmstoffmatten zu tun, die von Arbeitern zugeschnitten und
                                                                         ins Bauteil eingepasst werden müssen», erläutert die Forscherin.          Upscaling und Brandversuch
                                                                         «Die Altpapier-Fasern werden vielmehr automatisch in einen Hohl-          Doch gelingt das auch im Grossmassstab, in einer Produktionshalle?
                                                                         raum eingeblasen, bis er ganz gefüllt ist.» Das Einblasen soll aus        Ein Upscaling-Versuch brachte den Beweis: Die Flocken wurden in
                                                                         Kostengründen möglichst leicht und schnell erfolgen, deshalb müs-         mehrere Test-Holzrahmen eingeblasen, daneben ein identischer
                                                                         sen die Fasern in diesem Moment gut fliessen. Sobald sie jedoch im        Hohlraum mit Flocken ohne den neuartigen Zuschlagstoff, und im
                                                                         Hohlraum sind, sollen sie formstabil bleiben. So kann die Konstruk-       herkömmlichen Verfahren eingebracht. Nun ging es ins Brandlabor
                                                                         tion bei Bränden geschützt werden. Am Ende soll die maschinell            der VKF ZIP AG. Dort wurde der Holzrahmen eine Stunde lang einer
                                                                         eingeblasene Dämmung so fest und formatfüllend im Bauteil sitzen          800 bis 1000 Grad heissen Flamme ausgesetzt. Der Holzrahmen
                                                                         wie eine von Menschenhand eingepasste Dämmplatte. Nur so kann             durfte an keiner Stelle durchbrennen, und es durften auch keine
                                                                         sie die Hitze eines Feuers lange genug zurückhalten und einen vor-        glühenden Flocken herausfallen. Die neue Isolierung hielt dem Test
                                                                         zeitigen Abbrand der Konstruktion verhindern.                             stand und schützte die Konstruktion zuverlässig, während die Flo-
                                                                              Die Aufgabe ist nicht ganz leicht: «Wir haben für die bereits am     cken ohne Zuschlagstoff durch die fehlende Verklebung aus dem
                                                                         Markt etablierten Zellulosefasern der Isofloc AG nach einem gerade-       Holzrahmen herausfielen.
                                                                         zu magischen Bindemittel suchen müssen – ein Stoff, der möglichst              Die Vorteile erläutert Jon-Anton Schmidt, Leiter Anwendungs-
                                                                         von einer Sekunde auf die nächste wirkt», sagt Grüneberger. Sie           technik bei der Isofloc AG: «Das Dämmmaterial in loser Form ein-
                                                                         schnipst mit den Fingern wie ein Zauberer. Nur das Wort «Simsala-         zubringen, ist schon eine enorme Zeitersparnis. Mit dem zusätzli-
                                                                         bim» fällt in diesem Moment nicht.                                        chen Vorteil der Formstabilität und der damit verbundenen Brand-
                                                                                                                                                   schutzwirksamkeit erreichen wir Schutzwirkungen, die mit ge-
                                                                          Ein Parforceritt durch die Chemie                                        klemmten Steinwollmatten vergleichbar sind. Das macht die ohne-
                                                                          Das Industrieprojekt gemeinsam mit der Dämmstofffirma Isofloc            hin schon ökologische und effiziente Dämmung für die Bauindustrie
                                                                          begann im Frühjahr 2017. Franziska Grüneberger und ihr Kollege           noch interessanter.»
                                                                          Thomas Geiger begannen nach geeigneten Bindemitteln zu suchen
                                                                         – ein Parforceritt durch die Chemie, wie sich schnell zeigen sollte.      Neue Generation von industriellen Dämmsystemen
                                                                          Denn nur wer sich auf diesem Gelände sicher bewegt, findet die           Der finale Entwicklungsschritt geschieht nun beim Industriepartner
                                                                          passende Substanz.                                                       Isofloc AG. Dort müssen die Maschinentechniker und Ingenieure aus
                                                                               Erste Randbedingung: Für den Einsatz im nachhaltigen Holzbau        dem bestehenden Prototypen eine neue Generation von Einblasma-
                                                                          sollte das Bindemittel nachweislich ungiftig sein – ein Stoff, mit dem   schinen entwickeln, die die Anforderung an Reproduzierbarkeit und
                                                                          Menschen dauerhaft und problemlos in Berührung kommen können.            Qualitätskontrolle erfüllen. Die Dosierung des Bindemittels ist dabei
                                                                          In Frage kommen Hilfsstoffe aus der Textil-, Papier-, Kosmetik- und      wichtig. Sie muss in allen Produktionsschritten in engen Toleranzen
                                                                          Lebensmittelindustrie – oder Substanzen aus der Natur. Zweite Rah-       eingehalten und überwacht werden können.
                                                                          menbedingung: Das gewünschte Bindemittel soll günstig und in                  In einem Jahr, so schätzt man bei Isofloc, kann die neue Däm-
                                                                          grossen Mengen verfügbar sein.                                           mung zusammen mit den passenden Einblasmaschinen auf den
                                                                               «Wir stellten gemeinsam mit Willi Senn, dem Entwicklungsin-         Markt kommen. Aus Bergen von Altpapier wird dann ein wertvolles
                                                                          genieur bei Isofloc, eine Reihe von Versuchen an und verbanden die       Dämmmaterial, das nicht nur bei der Herstellung und im Einsatz
                                                                          Dämmfasern mit unterschiedlichen Zusatzstoffen», berichtet die           grosse Mengen fossiler Brennstoffe einsparen hilft, sondern indust-
                                                                          Forscherin. Zugleich lief die Suche nach dem geeigneten «Start-          riell als einziger loser Dämmstoff brandschutzwirksam eingesetzt
                                                                          schuss», der die Fasern von einem Moment zum nächsten verbindet.         werden kann. //
                                                                          Erhitzen mit Dampf? Mit Infrarotstrahlung? Über magnetische
24                                                                                                                                                                                        25

                         Architektin der Energie
                                                    Interdisziplinär, vernetzt und auf eine nachhaltige Zukunft aus-   «In meiner Arbeitsgruppe herrscht
                                                    gerichtet: Dies beschreibt Kristina Orehounig ebenso treffend
                                                    wie die Empa-Forschungsabteilung «Urban Energy Systems»,                  ein toller Teamgeist.
                                                    die sie seit Februar 2018 leitet. Sie hat einen ungewöhnlichen         Das hilft beim Entdecken.»
                                                    Weg zu ihrer heutigen Wissenschaftsdisziplin gewählt – doch
                                                    gerade das sieht sie als Vorteil in ihrem Forschungsalltag.

TEXT: Karin Weinmann / BILDER: Empa

D
        ie Technik im Fokus: Schon während          plinen zusammen: Vertreten sind die Bauin-
        ihres Architekturstudiums in Wien           genieurswissenschaften, Maschinenbau,
        hat es Kristina Orehounig zu den            Elektrotechnik, Architektur, Umwelttechnik
technischen Aspekten des Bauens hingezo-            und das relativ neue Feld «Industrial Ecolo-
gen, vor allem die Bauphysik faszinierte sie.       gy», das sich mit Material- und Energieflüs-
Trotzdem bereut sie es keineswegs, dass ihre        sen durch Industriesysteme beschäftigt.
Ausbildung nicht ganz gradlinig verlaufen                Man spürt bei Orehounig die Begeiste-
ist, bevor sie in der Simulation von Energie-       rung für Energiethemen – und für Forschung
systemen ihr berufliches Zuhause gefunden           generell. Bleibt neben den Managementauf-
hat: «Als Architektin bin ich in gewissen           gaben, die das Leiten einer Forschungsgrup-
Denkweisen freier. Man lernt, ganzheitlich          pe so mit sich bringt, dafür genug Zeit? «Ehr-
zu denken und auch auf den ersten Blick             lich gesagt, zu Beginn befürchtete ich, dass
vielleicht utopische wirkende Ideen weiter-         der Managementteil zu gross wird. Aber
zuverfolgen, um auf Lösungen zu kommen»,            zum Glück herrscht in der Gruppe ein toller
erklärt sie.                                        Teamgeist – obwohl wir erst kürzlich meh-
                                                    rere Labs zusammengeführt haben. Jeder
 Das grosse Ganze im Blick                          hat seinen Bereich, in dem er oder sie Exper-
Angefangen hat Kristina Orehounig mit der           te ist, und gleichzeitig sind alle Teammitglie-
 Simulation einzelner Gebäude. «Es wurde            der sehr offen. So entstand ein tolles inter-
 mir aber schnell klar, dass es nicht reicht, ein   disziplinäres Team, das hervorragend zu-
Gebäude isoliert zu betrachten.» Deshalb            sammenarbeitet.» Dadurch schafft sie es
weitete Sie ihren Fokus auf die Rahmenbe-           sogar, an der ETH Zürich weiterhin Vorle-
dingungen aus. Dazu gehört etwa das Mik-            sungen für das Master-Programm «Integra-
 roklima, das ein Gebäude umgibt. Von ein-          ted Building Systems» zu halten. Dieses hat
zelnen Gebäuden ging sie weiter zu Arealen          sie während ihrer Zeit an der ETH mit auf-
und Quartieren, bis sie schliesslich bei            gebaut und koordiniert.
­ganzen Städten landete. «Zum Glück liegt
 mir das vernetzte Denken – mir gefällt die         Von der Simulation zur Realität
Herausforderung, das grosse Ganze im Blick          Energiesysteme von Gebäuden, Quartieren
zu behalten und dennoch an einzelnen zen-           und Städten zu simulieren, klingt auf den
 tralen Stellen in die Tiefe der Materie zu         ersten Blick etwas abstrakt. Doch wenn man
 tauchen.»                                          Orehounig zuhört, merkt man schnell, dass
      Nach sechs Jahren als Forscherin und          die Forschenden sich mit sehr reellen – und
Dozentin an der ETH Zürich leitet Orehou-           dringenden – Herausforderungen beschäfti-
 nig seit Februar 2018 die Forschungsabtei-         gen. Denn der Energiebedarf von Gebäuden
 lung «Urban Energy Systems» an der Empa.           macht mehr als 40% des Gesamtenergiebe-
Deren Name ist Programm: Die Abteilung              darfs in der Schweiz aus – und das muss
                                                                                                                                                   Kristina Orehounig leitet seit Februar 2018
forscht an vernetzten Energiesystemen mit           sich laut der Schweizer Energiestrategie
                                                                                                                                                   die Forschungsabteilung «Urban Energy
dem Ziel, den Energiebedarf und den CO2-            2050 ändern. Und zwar massiv: Das «Swiss                                                       Systems» an der Empa. Zuvor war sie For-
Ausstoss von Gebäuden und Quartieren                Competence Center for Energy Research on                                                       scherin und Dozentin an der ETH Zürich.
massiv zu senken. Dafür arbeiten mehr als           Future Energy-Efficient Buildings & Dis-
20 Forschende aus unterschiedlichen Diszi-          tricts» (SCCER FEEB&D), das unter der Lei-

                                                                                                                                                                                         >>
26                                                                                                                                                                                                                        27
>>
tung derAbteilung «Urban Energy Systems»          zu verifizieren – und natürlich auch sichtbar
steht, hat sich zum Ziel gesetzt, den ökolo-      zu machen.» Das sei zudem ein wesentlicher
gischen Fussabdruck von Gebäuden in der
Schweiz bis zum Jahr 2035 um den Faktor 3
zu senken.
                                                  Punkt für ihre Forschungspartner: «Die
                                                  meisten wünschen sich, ein Projekt unter
                                                  Einbezug des ehub durchzuführen – und
                                                                                                  Auf zum Merkur!
     Dazu arbeitet Orehounigs Team gemein-        damit zu demonstrieren, was in der realen
sam mit Städten und Gemeinden an Energie-         Welt alles möglich ist.»
konzepten, bei denen die Forschenden mit
ihren Simulationen helfen können, konkrete        Globale Auswirkungen erwünscht                   Mit Bepi Colombo ist im Oktober eine weitere Raumsonde der European Space
Fragestellungen zu klären. Etwa: Lohnt es         Nach knapp einem Jahr als Abteilungsleite-      ­Agency (ESA) gestartet. An Bord ist auch Empa-Technologie. Für den Sensor eines
sich noch, ein Gasnetz zu betreiben? Wäre         rin hat sich Orehounig inzwischen gut ein-
ein thermisches Netz nicht sinnvoller? Oder       gelebt – und schmiedet bereits Pläne für die     Flugzeitmassenspektrometers hat die Empa Einzelteile in Feinarbeit beschichtet und
doch eine Kombination von beiden? «Uns            Zukunft: «Neben der Skalierung unserer           gelötet. Auch zukünftige ESA-Missionen starten mit Empa-Know-how an Bord.
erreichen viele Anfragen für solche Projek-       Modelle ist Big Data ein wichtiges Stichwort.

                                                                                                                                                                     Die Metall-Keramik-Struktur mit den eingebauten Heizkör-
                                                                                                                                                                     pern, die im Flugzeitmassenspektrometer von Bepi Colombo
                                                                                                                                                                     zum Einsatz kommen.

                                                                                                                     TEXT: Cornelia Zogg / BILDER: ESA, Empa

                                                                                                                     D
                                                                                                                             as Ziel: der Planet Merkur. Die         Wenig Platz im All
                                                                                                                             Raumsonde Bepi Colombo, benannt         Weltraumsonden müssen leicht sein, und
te», erzählt Orehounig. Um alle zu bearbei-       Wir wollen mehr messen – etwa mit Smart-                                   nach Giuseppe (Bepi) Colombo, ist       der Platz auf ihnen ist beschränkt, daher
ten, fehlt aber die Kapazität – auch wenn         Metern, also intelligenten Stromzählern.                           im Oktober 2018 gestartet und tritt die lange   wird auch bei den kleinsten Teilen Gewicht
geplant ist, das Team auf 30 Personen aus-        Diese Daten und die Simulationen wollen                            Reise zum sonnennächsten Planeten an, um        gespart, wo immer möglich. So auch bei der
zubauen.                                          wir zusammenbringen. Ein weiteres Ziel ist                         ihn zu kartografieren und die geologische       beheizten Struktur für die europäisch-japa-
     «Bei der Auswahl der Projekte achten         es, die Mobilität einzubeziehen, etwa durch                        und chemische Zusammensetzung seiner            nische Weltraummission zum Merkur. Ver-
wir darauf, ob es unsere Forschung voran-         move, die Empa-Demonstrationsplattform                             Oberfläche zu bestimmen. Dazu nötig ist         schrauben und verdrahten gestaltet sich da
bringt, ob wir auf eine neue spannende Fra-       für nachhaltige Mobilität. Eine Möglichkeit                        unter anderem ein Flugzeitmassenspektro-        schwierig und sorgt für Platzverschwen-
gestellung treffen. Unser wichtigstes For-        ist beispielsweise, Elektrofahrzeuge als Zwi-                      meter, von dem Einzelteile an der Empa ent-     dung. Also müssen die Bauteile gelötet wer-
schungsziel ist, die von uns entwickelte Si-      schenspeicher für Solarstrom zu nutzen.»                           standen sind.                                   den, was indes weitere Schwierigkeiten mit
mulationsplattform hochzuskalieren: Im                                                                                    Hans-Rudolf Elsener von der Abteilung      sich bringt.
Moment simulieren wir hauptsächlich Quar-         Lösungen für Entwicklungsländer                                    «Joining Technology and Corrosion» hat in            Die Heizerstruktur, bestehend aus Titan
tiere, in Zukunft sollen es ganze Städte sein.»        Eine Doktorandin arbeitet ausserdem                           einem komplexen Verfahren mit viel Finger-      und Aluminiumoxid-Keramik, hat Elsener
                                                  bereits an einem Ziel, dass Orehounig be-                          spitzengefühl eine beheizbare Metall-Kera-      mit Gold-Germanium im Vakuumofen ge-
Von der Forschung zur Industrie                   sonders am Herzen liegt: Entwicklungslän-                          mik-Struktur mitentwickelt und gebaut. Die      fügt. Dabei musste er darauf achten, die un-
Die Plattform soll bald den Sprung von der        dern eine Zukunft mit erneuerbarer Energie                         darauf montierten Silizium-Wafer – also         terschiedlichen Bauteile des Heizers beim
Forschung in die Industrie schaffen – dafür       zu ermöglichen. «Mir ist die globale Wir-                          kleine Plättchen – wandeln Neutralteilchen      Lötprozess nicht zu beschädigen. Keramik
soll ein neues Start-up entstehen, das es         kung unserer Forschung ein wichtiges Anlie-                        in geladene Partikel um. Dank den Empa-         ist höchst hitzeempfindlich, das Löten von
Energieunternehmen und Ingenieurbüros             gen. Gerade in Entwicklungsländern liegt                           Heizern ist diese Umwandlung um ein Viel-       Materialien mit unterschiedlichen thermi-
ermöglicht, mit den Modellierungstools der        ein grosses Potenzial: Wird der dort rasant                        faches effizienter als ohne, denn Ablagerun-    schen Eigenschaften führt entsprechend zu
Empa Energiesysteme für ganze Quartiere           steigende Energieverbrauch mit fossiler                            gen von organischen Stoffen, verbunden mit      hohen mechanischen Spannungen, die Ein-
zu entwerfen und zu optimieren.                   Energie gedeckt, dann haben wir keine                              der kosmischen Strahlung, würden die be-        zelteile beschädigen oder sogar zerstören
     Und es geht noch realer. Orehounig:          Chance, den Klimawandel aufzuhalten. Hier                          schichteten Plättchen irreversibel schädigen.   können. Elsener beschichtet daher in einem
«Der ‹Energy Hub›, kurz ehub, im NEST er-         können unsere Tools helfen, den künftigen                          Das regelmässige Aufheizen sorgt dafür,         ersten Schritt alle Komponenten der Metall-
möglicht es, zumindest einen Teil unserer         Verbrauch vorauszusagen und eine langfris-                         dass die Messempfindlichkeit des Instru-        Keramik-Struktur, so dass er dank der Be-
Forschungsarbeit an einem echten Quartier         tige nachhaltige Planung zu realisieren.» //                       ments nicht beeinträchtigt wird.                schichtung bei deutlich tieferen Temperatu-

                                                                                                                                                                                                                         >>
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