Wie die Welt mit ringt Klimawechsel, müssen wir dringend Wege finden, unseren CO-Ausstoß zu reduzieren? Emissionen. Sektoren, die stark von fossilen Brennstoffen abhängig sind, wie z. B. Energie und Luftfahrt, gelten gemeinhin als die schlimmsten Straftäter. Was die meisten Menschen jedoch nicht bemerken, ist, dass es einen anderen Schuldigen gibt, der sich in der Öffentlichkeit versteckt. auf den Straßen unserer Städte und in den Gebäuden, in denen wir leben und arbeiten.

In 2007 allein Stahl und Beton war jeder für mehr CO verantwortlich? -Emissionen als die gesamte globale Luftfahrtindustrie. Bevor sie auf die Baustelle gelangen, müssen sowohl Stahl als auch Zement bei sehr hohen Temperaturen verarbeitet werden – und das kostet viel Energie. Wie können wir also unsere Abhängigkeit von diesen „schmutzigen“ Materialien verringern, wenn sie im Bauwesen eine so entscheidende Rolle spielen?

Eine Möglichkeit besteht darin, natürliche Materialien wie Holz zu verwenden. Menschen haben mit Holz für gebaut Tausende von Jahrenund Holzkonstruktionen sind Derzeit ist eine leichte Wiederbelebung zu verzeichnen - Zum Teil, weil es ein billiges und nachhaltiges Material ist.

Aber es gibt welche Nachteile mit Holz zu bauen; Das Material kann sich unter feuchten Bedingungen verziehen und ist anfällig für Schädlinge wie Termiten. Und obwohl natürliche Materialien wie Holz aus ökologischer Sicht ansprechend sind, können sie für Ingenieure, die Bauteile in einer bestimmten Form oder Größe herstellen möchten, unbefriedigend sein.

Leben kopieren

Was ist also, wenn wir anstatt natürlicher Materialien, wie wir sie finden, neue Materialien herstellen, die von der Natur inspiriert sind? Diese Idee setzte sich in der Forschungsgemeinschaft der 1970s durch und explodierte in den 1990s mit der Entwicklung von Nanotechnologie und Nanofabrikationsmethoden. Heute bildet es die Grundlage für ein neues Feld der wissenschaftlichen Forschung: die „Biomimetik“ - wörtlich „Leben kopieren“.

Biologische Zellen werden oft alsdie Bausteine ​​des Lebens“, Weil sie die kleinsten Einheiten der lebenden Materie sind. Aber um einen mehrzelligen Organismus wie Sie oder mich zu schaffen, müssen sich die Zellen mit einer Stützstruktur zusammenballen, um das biologische Material zu bilden, aus dem wir bestehen, Gewebe wie Knochen, Knorpel und Muskeln. Solche Materialien haben Wissenschaftler, die sich für Biomimetik interessieren, zur Inspiration herangezogen.

Um biomimetische Materialien herzustellen, benötigen wir ein tiefes Verständnis der Funktionsweise natürlicher Materialien. Wir wissen, dass natürliche Materialien auch „Verbundwerkstoffe“ sind: Sie bestehen aus mehreren unterschiedlichen Grundmaterialien mit jeweils unterschiedlichen Eigenschaften. Verbundwerkstoffe sind häufig leichter als Einkomponentenwerkstoffe wie Metalle, haben aber dennoch wünschenswerte Eigenschaften wie Steifigkeit, Festigkeit und Zähigkeit.

Biomimetische Materialien herstellen

Materialingenieure haben jahrzehntelang die Zusammensetzung, Struktur und Eigenschaften natürlicher Materialien wie Knochen und Eierschalen gemessen, sodass wir jetzt ein gutes Verständnis für ihre Eigenschaften haben.

Wir wissen zum Beispiel, dass Knochen zu fast gleichen Anteilen aus hydratisiertem Protein und Mineral besteht. Das Mineral verleiht Steifheit und Härte, während das Protein Zähigkeit und Bruchfestigkeit verleiht. Obwohl Knochen brechen können, sind sie relativ selten und haben den Vorteil, dass sie existieren Selbstheilung - Ein weiteres Merkmal, das Ingenieure versuchen, biomimetische Materialien zu nutzen.

Die Eierschale ist wie der Knochen ein Verbundwerkstoff, enthält jedoch ungefähr 95% Mineral und nur 5% hydratisiertes Protein. Doch selbst diese kleine Menge an Protein reicht aus, um die Eierschale angesichts ihrer Dünnheit sehr zäh zu machen - wie die meisten Frühstücksköche bemerkt haben werden. Die nächste Herausforderung besteht darin, dieses Wissen in etwas Festes zu verwandeln.

Es gibt zwei Möglichkeiten, natürliche Materialien nachzuahmen. Entweder können Sie die Zusammensetzung des Materials selbst nachahmen oder Sie können den Prozess kopieren, mit dem das Material erstellt wurde. Da natürliche Materialien von Lebewesen hergestellt werden, treten bei keiner dieser Methoden hohe Temperaturen auf. Biomimetische Materialien - nennen wir sie "Neo-Bone" und "Neo-Eggshell" - verbrauchen daher viel weniger Energie als Stahl oder Beton.

Im Labor ist es uns gelungen zentimetergroße Proben von Neo-Bone. Dazu bereiten wir verschiedene Proteinlösungen mit den Bestandteilen vor, die das Knochenmineral bilden. Aus diesen Lösungen wird dann bei Körpertemperatur biomimetisch ein Neoknochen-Kompositmaterial abgeschieden. Es gibt keinen Grund, warum dieser Prozess - oder eine verbesserte, schnellere Version davon - nicht auf ein industrielles Niveau hochskaliert werden könnte.

Natürlich gibt es überall Stahl und Beton, daher ist die Art und Weise, wie wir Gebäude entwerfen und bauen, für diese Materialien optimiert. Um biomimetische Materialien in großem Maßstab einsetzen zu können, müssten wir unsere Bauvorschriften und -standards für Baumaterialien komplett überdenken. Aber wenn wir künftige Städte auf nachhaltige Weise bauen wollen, ist vielleicht ein gründliches Umdenken genau das, was erforderlich ist. Die Wissenschaft steckt noch in den Kinderschuhen, aber das heißt nicht, dass wir nicht groß von der Zukunft träumen können.