3D-gedruckte Bauelemente für bessere Luftqualität in Innenräumen

Zirkularität und Innovation sind zwei zentrale Antreiber der derzeitigen Architektur. Der Nachhaltigkeitsgedanke fängt bei der Verarbeitung von recycelten Stoffen an, geht über ressourcenschonende Prozesse bis hin zu Produkten, die selbst weniger Energie benötigen und umweltschonend sind. Der 3D-Druck etabliert sich daher durch seine Materialeffizienz und die Möglichkeit, komplexe Geometrien zu schaffen zunehmend als Fertigungsmethode. In einem neuen Projekt der ETH Zürich setzten die Wissenschaftler so ebenfalls auf die additive Fertigung und entwickelten 3D-gedruckte Bauelemente, die zur Entlüftung von Räumen beitragen und eine klimafreundliche Alternative zu Luftentfeuchtern aufzeigen. Im Folgenden erfahren Sie, was es mit dieser natürlichen Lüftungsanlage aus dem Drucker auf sich hat.
3D-gedruckte Bauelemente in Wänden und Decken sorgen für gute Luft
Wenn sich viele Menschen über längere Zeit in einem Raum aufhalten führt dies zu einer schlechteren Luftqualität. Wir alle kennen das von überfüllten Wartezimmern beim Arzt, von Großraum-Büros oder Klassenzimmern. Um der „dicken“ Luft entgegenzuwirken, kommen häufig mechanische Lüftungsanlagen zum Einsatz, die den Raum entfeuchten sollen. Diese brauchen allerdings viel Strom und wirken sich negativ auf unser Klima aus. Um eine umweltfreundlichere Option zu schaffen, forschten Bauingenieure und Architekten an einer passiven Möglichkeit zum Entfeuchten von Räumen.
Auf den Doktorarbeiten der Materialwissenschaftlerin Vera Voney und des Architekten Pietro Odaglia aufbauend entwickelten sie ein 3D-gedrucktes Bauelement mit speziellem Belag, das Feuchtigkeit bindet. Das Element kann in Wände und Decken eingesetzt werden und fungiert so als Feuchtigkeitsspeicher. Grund dafür ist das hygroskopische, feuchtigkeitsbindende Material aus dem das Bauelement gefertigt ist, dieses kann die Luftfeuchtigkeit für kurze Zeit „zwischenlagern“, bevor sie beim späteren Lüften abgeleitet wird.
Der Aspekt der Nachhaltigkeit war bei diesem Projekt tonangebend und so galt es zunächst, ein Material mit einer positiven Öko-Bilanz ausfindig zu machen. Bei der Herstellung von traditionellem Zement fällt viel CO2 an, weshalb nach einer umweltschonenderen Alternative gesucht wurde. Auf Basis von fein gemahlenen Abfällen aus Marmor-Steinbrüchen und einem Bindemittel entwickelten die Forscher so ein neues Druckmaterial. Beim Bindemittel handelt es sich um einen Geopolymer, der aus Metakaolin und einer alkalischen Lösung – Kaliumsilikat und Wasser – besteht. Das Metakaolin (häufig in der Prozellanherstellung verwendet) wird durch die alkalische Lösung aktiviert, sodass ein Geopolymer-Binder entsteht. Dadurch kann das Marmorpulver zu einem festen Baustoff verbunden werden.
Für den Druck war die Gruppe 3D-Druck rund um Benjamin Dillenburger, Professor für digitale Bautechnologien, an der ETH Zürich zuständig. Sie druckten ein Wand- und Deckenelement in 20 x 20 x 4 cm per Binder Jetting. „Mit diesem Verfahren lassen sich Bauteile in einem grossen Formenreichtum effizient herstellen“, betont Dillenburger die Vorzüge dieser Drucktechnologie.
Simulationen führen zu vielversprechenden Ergebnissen
In einem weiteren Schritt galt es, die Effizienz des 3D-gedruckten Luftentfeuchters einzuordnen. Die Wissenschaftler kamen anhand von Simulationen zum Schluss, dass die 3D-gedruckten Bauelemente in Wänden und Decken tatsächlich wesentlich zur Verbesserung der Luftqualität beitragen können. „Wir konnten mit numerischen Simulationen nachweisen, dass die Bauelemente die Luftfeuchtigkeit in stark genutzten Innenräumen massgeblich reduzieren können“, fasst die Bauphysikerin Magda Posani, die die Untersuchung der hygroskopischen Eigenschaften des Materials leitete, das Hauptergebnis des Forschungsprojekts zusammen.
Durch den Herstellungsprozess und die die natürliche Entfeuchtung ist der 3D-gedruckte Luftentfeuchter klimafreundlicher als mechanische Pendants. Trotzdem wollen die Forscher den Entwicklungsprozess weiter verfeinern, sodass im Endeffekt noch weniger Treibhausgase anfallen. Entsprechende Studien werden in einem weiterführenden Projekt mit dem Polytechnikum Turin und der Aalto-Universität verfolgt.

Beim 3D-Druck setzte das Team auf Binder Jetting. (Illustration: Vera Voney)
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*Titelbildnachweis: Bild: Pietro Odaglia / Josef Kuster