Myzelkomposit als vielseitig einsetzbarer, ­kreislaufgerechter Werkstoff für das Bauen

Myzel ist ein biobasierter Werkstoff, der in der Konsumgüter- und Verpackungsindustrie bereits verwendet wird und wegen seiner Rückführbarkeit in den natürlichen Stoffkreislauf und seines geringen CO2-Abdrucks auch für das Bauwesen sehr interessant ist. Für den ingenieurmäßigen Einsatz bedarf es jedoch definierter mechanischer Eigenschaften, die sich in Abhängigkeit vom Herstellprozess und vom Werkstoffdesign erzeugen lassen. Hierzu werden verschiedene Versuche, Arbeitsschritte und Untersuchungsergebnisse präsentiert, mit denen geeignete Komposite aus Myzelen entwickelt und als Mauerwerksysteme und Sandwichbausysteme auch prototypisch realisiert wurden. Darüber hinaus zeigt sich, wie insbesondere die Festigkeitseigenschaften von Myzelkompositen deutlich gesteigert werden können.

1 Situation

Das Bauwesen gehört zu den Branchen mit einem sehr großen Materialumsatz, die ebenso große Mengen an Abfall erzeugen, der überdies nur zu einem kleineren Teil rezykliert werden kann und deponiert werden muss [1]. Die Umstellung der Bauwirtschaft von mineralischen und chemisch vergüteten Baustoffen wie Beton, Kunststein und beschichtetem Holz auf organische und biobasierte Werkstoffe ist demgemäß eine wichtige Initiative im Hinblick auf kreislaufgerechtes Wirtschaften im Rahmen des natürlichen Stoffkreislaufs, auf die Einsparung von CO2, die Minderung von Entropie und unkontrollierte Materialmischung und somit auf die Schonung von Ressourcen im Sinne des Umweltschutzes.

Ein Ansatz, der positiv zur Lösung dieser Aufgabenstellung beitragen kann, ist der Einsatz von Pilzmyzel in Verbindung mit Substrat z. B. aus Hölzern als Nährstoff, einem sogenannten Myzelkomposit als Matrixmaterial. Es bildet ähnlich Kunststoffschäumen ein festes Gefüge aus, ist beliebig formbar, kann auf statische Anforderungen, d. h. planmäßige Beanspruchbarkeiten, ausgelegt werden und wäre so z. B. in Form von Mauerwerk in der Baupraxis einsetzbar. Als Verpackungsmaterial und in der Konsumgüterindustrie sowie als Dämmstoff in der Baubranche sind Myzelwerkstoffe bereits im Einsatz [2, 3]. Um den Anwendungsbereich deutlich zu erweitern, ist es von Interesse, das Material im Hinblick auf seine mechanischen Eigenschaften, insbesondere auf die Festigkeiten bezüglich Druck-, Schub- und Biege-/Zugbeanspruchungen zu ertüchtigen.

2 Eigenschaften von Myzelen und Myzelkompositen

Pilzmyzele haben in der Natur die Aufgabe, organische Bestandteile wie Hölzer, Blätter und Gräser biologisch abzubauen und in ihre Bestandteile zu zerlegen, sodass sie im Sinne der Biogenese wieder einsatzfähig sind.

Das technisch einsetzbare Matrixmaterial aus Pilzmyzel und Sub­strat entsteht durch das Wachstum der Hyphen im Nahrungssub­strat, das aus pflanzlichen Resten wie bspw. Blättern, Gräsern oder aus Gehölzen besteht, wobei jede Pilzspezies ein anderes Nahrungssubstrat bevorzugt und dies besonders effizient abbauen kann. Wegen der im Vergleich zu anderen natürlichen Abbauprodukten hohen Festigkeit basiert die Produktion von mechanisch beanspruchten Myzelkompositen und myzelbasierten Verbundwerkstoffen vorzugsweise auf lignozellulosehaltigen Substraten, also Substraten aus Gehölzen in Kombination mit der natürlich wachsenden, organischen Komponente eines Myzelgeflechts. Dessen Wachstum ist verbunden mit der Bildung von Myzelfäden, sogenannten Hyphen, die eine filzartige Struktur bilden (Bild 1b), durch deren Zugfestigkeit das entstehende Matrixmaterial aus Substratstücken und Fäden eine feste Beschaffenheit erlangt. Das Myzel durchdringt das Substrat (z. B. Holzspäne) physisch mit den Hyphen in alle Raumdimensionen, unter Einsatz von Enzymen, die den Zellabbau bewirken. Es durchsetzt während des Wachstums eine mit Substrat gefüllte Schalung, wodurch es in beliebigen Formen umgesetzt werden kann. Bei gleichmäßig gekörntem Substrat entsteht ein kohäsiver Matrixwerkstoff mit a priori isotropen Werkstoffeigenschaften und einer mechanischen Festigkeit, vergleichbar mit Kunststoffen und Kunststoffschäumen (PU-Schaum).

Bild 1 a) Oberfläche eines zylindrischen Probekörpers aus Pilzmyzel
Bild 1 b) REM-Aufnahme der Hyphen im Matrixmaterial

Für den mechanisch beanspruchten, technischen Einsatz können Pilze der Spezies Basidiomycetes wie Ganoderma applanatum (Flacher Lackporling), Ganoderma lucidum (Glänzender Lackporling) oder Formes fomentarius (Zunderschwamm) und andere Sorten eingesetzt werden. Das Nahrungssubstrat Holz besteht – je nach Sorte – aus ca. 25–30 Vol.-% Lignin, aus 25–30 % Pentosanen, das sind Vielfachzucker (Polysaccharide, Hemicellulose), und aus 40–50 % Zellulose sowie anderen Komponenten wie Harz, Terpentinöle, Fettsäuren, Eiweißstoffe und Mineralien. Die Pilze zerlegen Lignin, Hemizellulosen und Zellulosen in ihre Grundbestandteile mithilfe von Enzymen wie Zellulasen, Laccasen (typ. für Pilze), Amylasen, Proteasen und Lipasen, die als biologische Reaktionskatalysatoren wirken. Die Abbauprodukte wiederum liefern die Substanzen und die Energie für die Bildung der Hyphen.

3 Produktionsmethodik

Die Herstellung einer Myzel-Substrat-Matrix kann grundsätzlich bei mäßigen Temperaturen (5–20 °C) erfolgen. Für ein schnelles Wachstum benötigt das Myzel jedoch eine feuchte und warm konditionierte Umgebung (80–95 % Luftfeuchte, 25–30 °C). In einem solchen Klima gedeihen auch andere Pilze oder Organismen, die eine Dekontamination der Myzel-Substrat-Matrix bewirken können. Die Produktionsmethodik bedarf deshalb für den gesamten Zeitraum des lebenden Organismus eine Sterilisierung von Sub­straten und Zuschlägen. Hierzu werden beide Komponenten, Sub­strat und Zuschläge, autoklaviert, damit konkurrierende Myzele und ihre Sporen das planmäßig eingesetzte Myzel am Wachstum nicht hindern oder es sogar zerstören können. So ist streng darauf zu achten, dass reine, staubfreie raumklimatische Verhältnisse bestehen und an den Proben kein Kondenswasser oder überschüssiges Wasser austritt, sondern dass dieses gebunden bleibt und entweder für den biologischen Umwandlungsprozess nachträglich mitverarbeitet wird oder langsam verdunstet. Der Umwandlungsprozess zum Myzelgeflecht dauert je nach Substrat-Myzel-Kom­bination und Volumen des Myzelkörpers mindestens eine Woche bis sechs Wochen, bis eine vollständige Vernetzung der Substrate durch das Myzel erfolgt ist, die durch eine reduzierte und gleichbleibende Restfeuchte indiziert wird, wobei für eine ausreichende Sauerstoffzufuhr gesorgt sein muss. Dann hat sich eine feste ­Matrix bzw. ein festes Konglomerat gebildet, sodass das Myzel denaturiert, d. h. biologisch getötet werden kann – z. B. durch Erhitzung auf mindestens 80 °C [4, 5].

4 Einsatz von Myzelen in der Praxis und Myzelforschung

Neben den Entwicklungen von myzelbasierten Produkten durch die amerikanische Firma Ecovative, die seit 2007 mit Myzelen operiert, haben sich inzwischen auf der ganzen Welt Teams gebildet, die immer neue Einsatzmöglichkeiten für Myzelkomposite erschließen: von Verpackungsmaterialien als Ersatz von Kunststoffschäumen über lederartige Materialien für Bekleidung und Konsumgüter bis zu Wärmedämmstoffen [6].

Außerhalb der USA [7, 8] haben sich mehrere Universitäten und Forschungseinrichtungen in Europa, Asien und Südamerika dem Thema Pilzmyzel als Nutzmaterial gewidmet und u. a. systematische Untersuchungen zu den physikalischen und technischen Eigenschaften von Pilzmyzelen und Pilzmyzelwerkstoffen im Hinblick auf einen technischen Einsatz durchgeführt [9–14]. Die leichte, aufgelockerte Struktur von unbearbeiteten Kompositen macht es prädestiniert als Verpackungsmaterial und als Dämmmaterial. Es wurden auch schon mehrere Versuchsbauten aus Myzel, auch als Hüllkonstruktion errichtet. Das sind überwiegend experimentelle Bauten und Skulpturen, wie bspw. die Demonstrationsobjekte ­Hy-Fi Tower oder The growing pavillion, die auf Ausstellungen gezeigt wurden, wobei der Myzelwerkstoff nur vereinzelt tatsächlich als tragendes Material eingesetzt wurde und stattdessen andere Baukomponenten diese Aufgabe übernehmen [15, 16].

Die aktuellen Entwicklungen und Forschungen rund um das Myzelmaterial mit unterschiedlichen Anwendungsszenarien belegen das weltweit große Interesse an dem neuen Material und das damit ­verbundene Potenzial zur Etablierung neuer, kreislaufgerechter Produkte. Im Bauwesen stellen die hohen Anforderungen an Bauprodukte, in Deutschland manifestiert durch zusätzliche Bestimmungen und Normen, sowie die starke wirtschaftliche Konkurrenz konventioneller Baustoffe eine große Herausforderung bei der Entwicklung und der Etablierung solcher innovativer Materialien dar.

5 Werkstoffdesign mit Myzel

Myzelkomposite weisen in unbehandelter Form mechanische Eigenschaften wie weiche Kunststoffe und Kunststoffschäume auf. Im Verbund mit festen Materialien lassen sie sich als Matrixmaterial auch im Bauwerkmaßstab nutzen, die Festigkeitseigenschaften sind jedoch für eine umfassendere Anwendung beim Bauen noch zu verbessern.

Zu den wichtigsten Einflussbereichen und Steuerungsparametern, die sich auf die Festigkeit und Steifigkeit des Matrixmaterials auswirken, gehören: die Auswahl der Myzel-Substrat-Kombination, also der Pilz und das passende, von ihm verarbeitete Substrat hinsichtlich Holzart, Korngröße, Kornform, Größenstaffelung und Verdichtung, die gezielte Beeinflussung des Wachstums des Myzels und seiner Fäden (Hyphen) und deren räumliche Ausrichtung und Bündelung sowie die Kombination mit verschiedenen Zuschlagstoffen zu einem Verbundwerkstoff. Als Zuschläge kommen infrage: solche, die erhöhend hinsichtlich der Druckbeanspruchung wirken, wie etwa stückige, spanartige oder granulatförmige Holzzuschläge, solche, die verbessernd auf die Schub- und Zugbeanspruchbarkeit wirken, wie Furniere, spanförmige Zuschläge oder Einlagen aus Naturfasern oder -textilien, und solche, die eine erhöhte Biegebeanspruchbarkeit bewirken, wie Holzplattenwerkstoffe, Furniere oder spanförmige Zuschläge. Die Vielzahl der Einflussgrößen macht eine Top-down-Systematik beim Materialdesign und bei der Entwicklung der kontrollierbaren und prognostizierbaren Eigenschaften der Myzelwerkstoffe unabdingbar. Dabei wird von bestimmten Werkstoffformen wie z. B. Konglomeraten oder von Laminaten und von Werkstoffstrukturmodellen (Bild 2) [17] ausgegangen, deren spezifische mechanische Anforderungen an die Werkstoffkomponenten vorab eingeschätzt und im Kontext mit den eingebrachten Myzel-Substrat-Kombinationen und den Zuschlägen gesteuert und optimiert werden können.

Bild 2 a) Für das Materialdesign relevante Werkstoffstrukturmodelle
Bild 2 b)

Zu diesen Einflussbereichen der Myzel-Substrat-Kombination, Beeinflussung des Myzelwachstums und des Werkstoffdesigns eines Verbundwerkstoffs durch Zugabe von Zuschlägen, wurden vonseiten des Teams der RWTH Aachen und TU Dresden im Rahmen von Projekten (LiMyBrick, MycoMatrix – gefördert vom BMBF) und in Eigeninitiativen entsprechende Strategien ausgearbeitet.

Die Auswahl der Myzel-Substrat-Kombination ist an den bauüblichen Holzwerkstoffen wie Fichte, Buche und Birke (Schichtplatten) orientiert, die einerseits selbst als Substrat eingesetzt, andererseits – weil das Myzel sich ähnlich einem Klebstoff direkt mit dem Holz verbindet – als Zuschlag oder Partnerwerkstoff beigezogen werden können. Weiterhin ermöglicht der Einsatz bauüblicher Holzwerkstoffe die Wiederverwendung von Altholz aus der Bauindustrie als Substrat für das Matrixmaterial und eröffnet somit einen weiteren Lebenszyklus im Sinne der Kreislaufwirtschaft. Passend zur verwendeten Holzart sind Myzele auszuwählen, die einen entscheidenden Einfluss auf die Festigkeit und Steifigkeit, die Wachstums- oder Reifedauer der Matrix und auf andere physikalische Eigenschaften wie z. B. Formbeständigkeit (Schwinden, Kriechen), Hygroskopie oder Entflammbarkeit haben.

Zur Beeinflussung des Myzelwachstums, zur Ausrichtung der ­Hyphen des Myzels im Interesse einer Festigkeits- und Steifigkeitsoptimierung des Werkstoffs, wurden verschiedenste Versuchsreihen mit Erfolg durchgeführt, wobei eine Systematik des geleiteten Myzelwachstums auch zum Patent angemeldet wurde [18].

5.1 Kombination mit Zuschlagstoffen und Werkstoffstrukturmodelle

Das Werkstoffdesign mit Zuschlagstoffen ist orientiert an Werkstoffstrukturmodellen für Verbundwerkstoffe (Bild 2), wie sie u. a. in der Kunststoff- und Holzwerkstofftechnik [19] und im Massivbau verwendet werden.

Entsprechend den in der Praxis üblichen Verbundwerkstoffen liegt der Fokus auf Konglomerat- und Laminatwerkstoffen. Erstere als Material für volumenbehaftete Bausysteme wie Mauerwerk und Sandwichbausysteme, Letztere für Plattenwerkstoffe wie Furnierschichtplatten oder OSB-ähnliche Systeme. Hierfür wurden Strukturmodelle mit einem, zwei oder mehr Zuschlägen erarbeitet (Bild 2). Ausgehend von einer Myzel-Substrat-Kombination als Matrixwerkstoff mit zwei Komponenten, welche die Grundmatrix bildet, werden Zuschläge beigegeben, mit denen gezielt bestimmte mechanische Eigenschaften beeinflusst und unterstützt werden. Diese Zuschläge haben unterschiedliche Form, Formabstufung und Beschaffenheit und bestehen aus verschiedenen Materialien (s. o.), sodass ein Werkstoff aus drei und mehr Komponenten entsteht. Als Zuschläge kommen Holzpartikel in stückiger oder in blockartiger Form sowie als Späne oder Furniere in Betracht. Es können Textilien (Stoffe) oder Fasern aus Naturfaserstoffen wie Baumwolle, Hanf und Flachs usw. eingebracht werden, die wie eine Zugbewehrung wie beim Stahlbeton wirken. Anders jedoch als beim Beton, wo die Art der Zuschläge in Form von Kies oder Bewehrungsstahl mit einer eindeutigen Zuordnung zu einer Beanspruchbarkeit, nämlich Erhöhung der Druckfestigkeit und der Zug-/Druckfestigkeit des Verbundmaterials, einhergeht, wirken die hölzernen Zuschläge in mehrfacher Weise. Zuschläge wie Lamellen, Furniere und Späne etc. bringen neben ihrer Druckfestigkeit eine eigene Biege- und Zugfestigkeit mit ein, die über Scherbeanspruchung über die Grundmatrix untereinander übertragen wird und zu einer signifikanten Biegefestigkeit und Zugfestigkeit des Verbundwerkstoffs führt. Dabei wird vorausgesetzt, dass das Holzmaterial der Zuschläge dem des Substrats des Zweikomponentenwerkstoffs entspricht und vom jeweiligen Pilz mit abgebaut und umgewandelt wird, sodass eine Adhäsionsverbindung zwischen allen Komponenten entstehen kann. Selbiges gilt für lamellen- oder blockförmige Zuschläge, die ähnlich wie bei Brettschicht- oder Brettsperrholz oder OSB-artigem Plattenmaterial zu einem biege- und zugfesten und auch einem druckfesten Verbundmaterial führen. Insgesamt lässt sich die Scherverbundeigenschaft von mit einem durch Zweikomponentenwerkstoff verbundenen Holzfurnier oder einer Holzplatte auch für einen Sandwichwerkstoff nutzen, bei dem das Kernmaterial statt aus Polyurethanschaum aus Myzel besteht und die Tragplatten aus Holzwerkstoffplatten. Je nach Ausrichtung der Zuschläge ergibt sich ein isotropes oder orthotropes Materialverhalten.

5.2 Entwicklung von Produkten und Bausystemen

Auf den Grundlagen des Materialdesigns wurden drei prototypische Bausysteme entwickelt: ein Mauerstein mit Loch (Vorbild: KS-Stein) (Bild 3a), ein Mauerwerksystem im Klinkerformat (Bild 3b), das fugenlos verarbeitet werden kann, sowie ein Sandwichbausystem für Wand- und Deckenelemente (Bild 4) in Anlehnung an den Holztafelbau.

Bild 3 a) Mauerwerkstein aus Pilzmyzel
Bild 3 b) Wandaufbau aus mehreren klinkerförmigen Steinen mit zusammengewachsenen Fugen
Bild 4 a) Bausystem mit Sandwichpaneelen
Bild 4 b) Prototyp eines Sandwichpaneels

Bei den Bausystemen mit Steinen kann die besondere Eigenschaft des grenzübergreifenden Wachstums einzelner Elemente ausgenutzt werden, sofern die Denaturierung der aufeinandergeschichteten Elemente nachträglich durchgeführt wird. So erfolgt die Fügung der einzelnen Steine durch die Vernetzung der Oberflächen während des Wachstums, wodurch ein Wandaufbau ohne separaten Verbindungswerkstoff umgesetzt werden kann.

Bei der Entwicklung von Sandwichelementen wurden verschiedene Holzwerkstoffplatten als Deckschichten in Kombination mit unterschiedlichen Myzelmatrizen untersucht [4, 5]. Es wurde gezeigt, dass bei geeigneten Deckplatten das Myzelmaterial einen flächigen Verbund mit diesen eingeht und sich so auch statisch belastbare Sandwichelemente herstellen lassen. Auf dieser Grundlage wurde ein Wandsystem konzipiert, das aus Rahmen aus Vollholzprofilen besteht, in welche die Sandwichelemente eingesetzt sind. Die Elemente werden mit Vollgewindeschrauben miteinander verbunden, die nach Ende der Nutzung vollständig separiert werden können, sodass keine Materialvermischung entsteht. Der Verbund der Deckschichten mit dem Myzelkern ergibt im Vergleich zur konventionellen Holztafelbauweise einen statischen Vorteil hinsichtlich Steifigkeit und Eigenmasse (Schallschutz). Die in dieser Weise entwickelten Produkte bzw. Systeme orientieren sich an konventionellen Bauprodukten und stellen mögliche Substitute für gängige Baumaterialien und Bausysteme dar. Die besondere Eigenschaft des Myzelmaterials, durch eine Schalung eine beliebige Form annehmen zu können, erlaubt auch die Herstellung komplexer Bauteile mit einfacher oder sogar doppelter Krümmung, woraus weitere konstruktive Vorteile genutzt werden können [20]. Neben der Entwicklung unterschiedlicher myzelbasierter Werkstoffe und der Optimierung deren mechanischer Eigenschaften ist die Ausarbeitung von Alternativen zu angestammten Produkten ein wichtiger Entwicklungszweig.

5.3 Festigkeitsverhalten

Zur Ermittlung der mechanischen Eigenschaften des Matrixmaterials wurden diverse Serien an Materialprüfungen zur Ermittlung der Druck-, Biegezug- sowie Scherfestigkeiten durchgeführt. Um eine quasi reine Zugfestigkeit des Matrixmaterials zu ermitteln, wäre ein anderer Versuchsaufbau notwendig gewesen. Aus diesem Grund wurde hierauf zunächst verzichtet. Stattdessen konnten Rückschlüsse auf die Zugfestigkeit über die Biegezugversuchsreihen gewonnen werden. Die Testaufbauten und Testdurchführungen erfolgten in Anlehnung an die Vorgaben der Prüfnormen für Dämmstoffe im Bauwesen [21–23]. Die im Folgenden gezeigten ­Ergebnisse beziehen sich auf Myzelkomposite als Zweikomponentenwerkstoff, d. h. reine Myzel-Substrat-Kombinationen ohne Zuschlag mit dem Pilz Ganoderma lucidum in Kombination mit spanförmigem Substrat aus Buchenholz, hergestellt nach dem oben beschriebenen Verfahren bei einer Kultivierungsdauer von vier Wochen.

Zur Ermittlung der Druckfestigkeit wurden Druckversuche an zylindrischen Probekörpern mit einer Höhe von 70 mm und einem Durchmesser von 45 mm durchgeführt. Der Testaufbau ist in Bild 5a gezeigt; die Durchführung erfolgte weggesteuert mit einer Prüfgeschwindigkeit von 3 mm/min, wobei die ermittelten Last-Verformungskurven in Spannungs-Dehnungskurven umgerechnet wurden.

Bild 5 a) Versuchsaufbau des Druckversuchs
Bild 5 b) Spannungs-Dehnungskurven der durchgeführten Druckversuche

Bild 5b zeigt die Spannungs-Dehnungskurven als Ergebnisse der Prüfungen aus zwei Versuchsreihen mit Probekörpern unterschiedlicher Fülldichte. Die Proben der ersten Versuchsreihe hatten eine Fülldichte von 0,6 g/cm³, während diejenigen der zweiten Serie 50 % dichter befüllt waren, nämlich mit 0,9 g/cm³, also auf 66,6 % des ursprünglichen Volumens verdichtet waren. Die Trockendichten nach der Denaturierung der Probekörper ergaben entsprechend 0,29 bzw. 0,38 g/cm³. Die Spannungs-Dehnungs-Diagramme (Bild 5b) zeigen nach einer leichten Verfestigung ein ­linear elastisches Verformungsverhalten mit einer anschließenden Entfestigungszone. Bei den nicht komprimierten Proben (gestrichelte Linien) dehnt sich der linear elastische Bereich bis auf 8 % aus. Die maximale Festigkeit von σu,max = 0,41N/mm² wird kurz danach, bei 9 % Dehnung erreicht. Die verdichteten Proben (durchgezogene Linien) weisen einen deutlich größeren linear elastischen Verformungsbereich bis 15 % auf, bevor sich ein Verfestigungsbereich anschließt, der mit dem Versagen bei σc0,67,u,max = 1,5 N/mm² und 24 % Dehnung beendet ist. Die komprimierte Matrix zeigt danach ein nichtlineares Entfestigungsverhalten. Durch die Komprimierung ergibt sich eine Verdoppelung des Elastizitätsmoduls von 4 N/mm2 auf 8 N/mm2. Aufgrund der starken Stauchungen des Materials ist, nach Vorgabe der Norm, der charakteristische Wert der Festigkeit als diejenige Spannung, die bei einer Dehnung des Probekörpers von 10 % auftritt, definiert. Diese Druckfestigkeit ist bei den komprimierten Probekörpern gut doppelt so hoch wie bei den nicht komprimierten. Die maximale Druckspannung, die bei einer Dehnung von ca. 24 % auftritt, beträgt 1,5 N/mm². Erwartungsgemäß zeigen die unkomprimierten Proben eine größere Streuung bei den charakteristischen Festigkeitswerten gegenüber den komprimierten Proben.

Für die Beurteilung des Biegezugverhaltens wurden quaderförmige Probekörper mit den Maßen 240 mm x 120 mm x 60 mm hergestellt und einem Dreipunkt-Biegeversuch unterzogen (Bild 6a).

Bild 6 a) Versuchsaufbau des Biegezugversuchs
Bild 6 b) Spannungs-Dehnungskurven durchgeführter Biegezugversuche

Alle geprüften Probekörper besitzen einen ausgeprägten linear elastischen Verformungsbereich über 2 % Dehnung und im Anschluss eine kurze verfestigende Zone von maximal 0,32 %. Die charakteristische Biegezugfestigkeit betrug σT,max = 0,17 N/mm², was ein typisches sprödes Bruchverhalten indiziert. Der Bruch erfolgt als Biegezugbruch durch das lokale Aufreißen des Probekörpers an der Stelle der maximalen Momentenbelastung, also am unteren Rand in der Mitte des Probekörpers.

Zur Untersuchung des Scherverhaltens wurde ein vereinfachter Versuchsaufbau verwendet, bei dem die Scherbeanspruchung in die quaderförmigen Prüfkörper durch das Scheren der Auflagerflächen eingeleitet wird (Bild 7a).

Bild 7 a) Versuchsaufbau des Scherversuchs
Bild 7 b) Spannungs-Dehnungskurven durchgeführter Schubversuche

Die Probekörper versagten alle in der Scherebene durch die Bildung eines Risses. Dabei war zu beobachten, dass sich der Riss nicht schlagartig, sondern allmählich durch den Probekörper zieht. Solange der Probekörper unversehrt ist, steigt die Festigkeit näherungsweise linear, mit zunehmender Rissbildung ergibt sich eine Verfestigung. Nach dem Erreichen der maximalen Scherfestigkeit fällt sie auf einen Wert von etwa 60 % ab, der die Reibung zwischen den beiden nunmehr getrennten Flächen repräsentiert.

Die durchgeführten Versuche bilden eine Grundlage zur Einordnung des Materials in Bezug auf seine werkstoffspezifischen Eigenschaften sowie für einen Vergleich mit anderen Baumaterialien. Die Ergebnisse zeigen, dass das Material unterschiedliche Festigkeiten und Versagenscharakteristiken, abhängig von der Belastungsart, aufweist. Vergleicht man das Materialverhalten unter Druck- bzw. Scherbelastung mit dem Verhalten unter Biegezugbelastung, stellt man fest, dass das Material unter Druck und Schub weniger spröde versagt, sondern einen größeren Bereich inelastischer Entfestigung unter wesentlich größeren Verformungen aufweist. Die Druckfestigkeit ist betragsmäßig etwa zweieinhalbmal größer als die Biegezugfestigkeit. In Parameterstudien, innerhalb derer auch andere Myzel-Substrat-Kombinationen hinsichtlich ihres Festigkeitsverhaltens getestet wurden sowie die Abhängigkeit des Festigkeitsverhaltens von der Kultivierungsdauer und der Größe, Form und Ausrichtung des Substratmaterials untersucht wurde, ließen sich weitere Kenngrößen als mögliche Stellschrauben zur Verbesserung und Optimierung des Materialverhaltens identifizieren. Die Materialprüfergebnisse zeigen, dass das Festigkeitsverhalten besonders im Druck- und Scherverhalten eine im Prinzip günstige Last-Verformungs-Charakteristik aufweist, insbesondere bei einer vorkomprimierten Matrix. Die Festigkeitswerte der reinen Myzel-Substrat-Kombinationen sind dennoch im Vergleich zu anderen Baustoffen, z. B. Holz C16 in Faserquerrichtung, eher gering (Tab. 1). Dennoch lassen sie sich gut mit denen einer PU-Matrix, wie sie z. B. bei Blechsandwichplatten eingesetzt wird, vergleichen. Ähnlich dem Kunststoff ist auch das Steifigkeitsverhalten mit unterschiedlichen Elastizitätsmoduln unter Druck- und Zugbelastung. Durch Nutzung eines festeren Myzels anstatt des hier verwendeten Glänzenden Lackporlings (Ganoderma lucidum), z. B. des Zunderschwamms (Formes fomentarius), darf mit Bezug auf Voruntersuchungen mit einer Verbesserung von mindestens 35–40 % der Zug- und Druckfestigkeit der Zweikomponentenmatrix gerechnet werden. Für die Kombination eines solchen Zweikomponentenwerkstoffs mit Zuschlägen sind diese Festigkeitseigenschaften dann bereits ausreichend, um baupraktisch nutzbare Mauerwerksysteme herzustellen. Für einen breiteren Einsatz des Myzelmaterials gilt es dennoch, an der Erhöhung der Festigkeitseigenschaften zu arbeiten.

 Myzelkomposit*, zwei Kom­ponenten (Mittelwerte aus fünf Versuchsergebnissen) Polyurethan-Hartschaum (PU) (nach [24]) Holzlamelle C16 in Querrichtung (nach [19])

σt,90,k, σc,90,k

Druckfestigkeit
[N/mm²]
0,80–1,500,07–0,262,20
Zugfestigkeit
[N/mm²]
0,11–0,170,01–0,150,40
Schubfestigkeit
[N/mm²]
0,080,08–0,180,40
(Rollschub)
Elastizitätsmodul
[N/mm²]
8,0 (Druck)

4,0 (Zug)
(Sekantenmodul)

2,0–8,0 (Druck)

2,0–6,0 (Zug)

270
Tab. 1 Vergleich der ermittelten Festigkeitswerte einer Myzelmatrix aus Buchenholz und Ganoderma Lucidum* ohne Zuschlag (Zweikomponentenwerkstoff, Polyurethan Hartschaum (PU) und quer zur Faserrichtung belastetes Holz der Klasse C16)

5.4 Verbesserung der Festigkeitseigenschaften einer Myzel-Substrat-Matrix

Von den drei Einflussbereichen und Steuerungsparametern zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften einer Myzel-Sub­strat-Matrix, der Auswahl der Myzel-Substrat-Kombination, der Beeinflussung des Wachstums des Myzels und der Kombination mit verschiedenen Zuschlagstoffen, erlaubt Letzteres – die Kombination mit Zuschlagstoffen unterschiedlicher Art – die Herstellung von höher beanspruchbaren Verbundwerkstoffen in Form von Konglomeraten oder Laminaten. Nichtsdestoweniger sind der Einfluss der Auswahl der Myzel-Substrat-Kombination und die Einflussnahme auf das Wachstum von Interesse, weil sie auf das Festigkeitsverhalten des Myzels selbst und damit direkt wirken.

5.4.1 Myzeleigenschaften

Was die auszuwählenden Myzele anbelangt, die allesamt mehr oder weniger Chitin bilden – ein sehr fester Naturstoff, der in der Welt der Kerbtiere vorherrscht – so spielt der Gehalt an dieser Substanz, einem Homopolysaccharid, für die mechanische Festigkeit eine zentrale Rolle. Wie zuvor erwähnt, bildet der Zunderschwamm (Fomes Fomentarius) wegen seines hohen Chitingehalts (20 %) besonders feste Hyphen und ein ebenso festes Geflecht aus. Zur Bildung des Geflechts benötigt der Organismus jedoch deutlich länger, die mehrfache Zeit – zwei- bis viermal so lange wie andere, weniger chitinhaltige Pilze.

5.4.2 Beeinflussung des Wachstums

Die Beeinflussung des Wachstums der Hyphen kann durch Zufuhr von Stärke als Nahrungszusatz oder durch Wärmeeintrag erfolgen, deren Effekt jedoch weniger stark ausgeprägt ist. Wie anhand der vorgestellten Ergebnisse der Materialprüfungen im Druckversuch gezeigt, ist das Komprimieren der Myzel-Substrat-Matrix während des Wachstumsprozesses sehr vorteilhaft, da es zu einem dichten Myzelnetz, das wie unter einer Art innerer Vorspannung steht, führt und so der Matrix eine deutlich höhere Festigkeit und einen höheren Elastizitätsmodul im Vergleich zur unkomprimierten Matrix verleiht. Durch die durchgeführte Komprimierung konnte fast eine Vervierfachung der absoluten Festigkeit bzw. eine Verdoppelung der Festigkeit bei 10 % Dehnung des unkomprimierten Sub­strats erreicht werden.

Weiterhin lässt sich der Umstand nutzen, dass die äußeren Grenzflächen eines mit Myzel durchsetzten Substratkörpers von Schichten aus Myzelfäden überzogen werden, die offenbar eine mechanische Stabilisierung der Außenhaut bewirken. Demgemäß kann durch schichtweises, zeitversetztes Wachstum einer Myzelmatrix zu einem volumenbehafteten Bauteil die Festigkeit deutlich erhöht werden (Bild 8). An einer Serie von in dieser Weise aufgebauten Prüfkörpern ließ sich im Rahmen von Scherversuchen an Myzelkompositproben die Tragfähigkeit des Prüfkörpers auf 175 % steigern.

Bild 8 Spannungs-Dehnungskurven durchgeführter Schubversuche

6 Bearbeitbarkeit und Beschichtbarkeit

Darüber hinaus wurden an Proben mit unkomprimierter Myzel-Substrat-Kombination auch verarbeitungstechnische Eigenschaften von Myzelwerkstoffen untersucht, wie z. B. die mechanische Bearbeitbarkeit und die Möglichkeiten des Aufbringens von Beschichtungen und Farben aus Ölen, Fetten und aus mineralischen oder stärkebasierten Stoffen.

Es zeigte sich, dass sich die Materialien aufgrund des besonders spröden Materialverhaltens der unkomprimierten Matrix weniger gut mechanisch bearbeiten lassen. Beim Sägen, Schneiden oder Bohren kommt es zum Ausbrechen des Materials durch die Werkzeuge (Bild 9). Ausgenommen hiervon ist das Schleifen der Oberflächen, welches sich als praktikabel erwies. Die Oberflächen der Materialien lassen sich durch unterschiedliche Beschichtungen (Gips, Farbe) auch dauerhaft versiegeln. Hierbei ist hervorzuheben, dass insbesondere die Wahl des Pilzes einen großen Einfluss auf die Beschichtbarkeit zeigt. So weist das für die Untersuchungen verwendete Pilzmyzel des Ganoderma lucidum hydrophobe Eigenschaften auf, wodurch die Oberflächen wasserabweisend reagieren und somit eine Versiegelung bzw. Bearbeitung mit wasserbasierten Farben nicht erlauben. Die Versiegelung der Oberflächen durch das Auftragen einer Gipsschicht ist möglich und führte bei einer zweistufigen Bearbeitung zu einer glatten Oberfläche mit guter Haftung.

Bild 9 Untersuchungen zur mechanischen Bearbeitbarkeit und Beschichtbarkeit von Myzelwerkstoffen: a) Sägen
Bild 9 b) Bohren
Bild 9 c) Beschichtung
Bild 9 d) Beschichtung mit ölbasierten Lacken

7 Zusammenfassung und Ausblick

Myzel-Substrat-Matrixwerkstoffe sind Werkstoffe, die sich vollständig in den natürlichen Stoffkreislauf zurückführen lassen und damit entropievermindernd sind. Sie vereinen nicht nur ökologische Vorteile in sich, sondern bieten auch einige systemische ­Vorteile. Mittels Werkstoffstrukturmodellen lassen sich Konglomerat- und Laminatwerkstoffe als Drei- und Mehrkomponentenwerkstoffe entwickeln, ebenso wie Sandwichelemente und Sandwichhalbzeuge. Es konnten durch gezielte Untersuchungen zahlreiche produktionsrelevante Bedingungen eruiert werden. In diesem Kontext wurden auch verschiedene festigkeitsverbessernde Maßnahmen entwickelt, sodass derzeit eine Druckfestigkeit der Myzelmatrix von immerhin 1,5 N/mm² erreicht wird. Um im Hinblick auf optimale mechanische Eigenschaften die besten Myzel-Substrat-Kombinationen zu ermitteln, sind weitere umfangreiche Untersuchungen und Testreihen notwendig. Gleiches gilt für die Konglomerat- und Laminatwerkstoffe sowie die Sandwichbausysteme. Hierbei ist der Prüfaufwand zusätzlich durch die größere Streuung der Prüfergebnisse an einem natürlichen Werkstoff noch erhöht. Dennoch steht mit den Myzelkompositen eine überaus nachhaltige Werkstoffgruppe in Aussicht, weil sie nach ihrem Einsatz in Form von Bauteilen und Bausystemen problemlos entsorgt werden können und keine Langzeitdeponierung beanspruchen werden.


Literatur

  1. EEA (2018) Priority Objective 2 of the Seventh Environment Action Programme ‘to turn the Union into a resource-efficient, green and competitive low-carbon economy’, Waste generation. EEA Report No. 19/2018. European Environment Agency.
  2. Ecovative Design LLC [eds.] We grow better materials [online]. New York: Ecovative Design LLC. https://ecovativedesign.com [Zugriff  m: 7. Apr. 2022]
  3. mogu [eds.] mogu – Radical by Nature [online]. Inarzo: mogu. https://mogu.bio [Zugriff am: 7. Apr. 2022]
  4. Saez, D.; Grizmann, D.; Werner, A.; Trautz, M. (2021) Analyzing a fungal mycelium chipped wood composite for use in construction in: IASS [eds.] Proceedings of IASS Annual Symposium 2021. Guildford, Aug. 23–27, 2021.
  5. Saez, D.; Grizmann, D.; Werner, A.; Trautz, M. (2021) Developing sandwich panels with a mid-layer of fungal mycelium composite for a timber panel construction system in: Proceedings of the World Conference on Timber Engineering. WCTE 2021, Santiago, Chile, Aug. 9–12, 2021.
  6. Sydor, M.; Bonenberg, A.; Doczekalska, B.; Cofta, G. (2022) Mycelium-Based Composites in Art, Architecture, and Interior Design: A Review. Polymers 14, No. 1, pp. 145. https://doi.org/10.3390/polym14010145
  7. Islam, M. R.; Tudryn, G.; Bucinell, R.; Schadler, L.; Picu, R. C. (2017) Morphology and mechanics of fungal mycelium. Scientific Reports 7, 13070. https://doi.org/10.1038/s41598-017-13295-2
  8. Ziegler, A. R. (2016) Evaluation of Physico-Mechanical Properties of Mycelium Reinforced Green Biocomposites Made from Cellulosic Fibers. Appl. Eng. Agric. 32, pp. 931–938. https://doi.org/
    10.13031/aea.32.11830
  9. Elsacker, E.; Vandelook, S.; Brancart, J.; Peeters, E.; De Laet, L. (2019) Mechanical, physical and chemical characterisation of mycelium-based composites with different types of lignocellulosic substrates. PLOS ONE 14, e0213954. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0213954
  10. Haneef, M.; Ceseracciu, L.; Canale, C.; Bayer, I. S.; Heredia-­Guerrero, J. A.; Athanassiou, A. (2017) Advanced Materials from fungal Mycelium: fabrication and Tuning of physical properties. Scientific Reports 7, 41292. https://doi.org10.1038/srep41292
  11. Hebel, D.; Heisel, F. [eds.] (2017) Cultivated building materials: industrialized natural resources for architecture and construction. Basel, Boston: Birkhäuser.
  12. Lelivelt, R.; Lindner, G.; Teuffel, P.; Lamers, H. (2015) The production process and compressive strength of mycelium-based materials in: Amziane, S.; Sonebi, M. [eds.] Proceedings of the 1st International Conference on Bio-based Building Materials. ICBBM 2015, Clermont-Ferrand, France, June 22–25, 2015.
  13. Moser, F.; Trautz, M.; Beger, A.-L.; Löwer, M.; Jacobs, G.; Hillringhaus , F.; Reimer, J. et al. (2017) Fungal mycelium as a building material in: IASS [eds.] Proceedings of the IASS Annual Symposium 2017. Hamburg, Sept. 25–29, 2017.
  14. Moser, F. J.; Trautz, M.; Beger, A.-L.; Löwer, M.; Feldhusen, J.; Prell, J.; Wormit, A.; Usadel, B.; Kämpfer, C.; Seiler, T.-B.; Hollert, H. (2016) Bio-based structural building components grown into near net shape in: Da Sousa Cruz, P. J. [ed.] Structures and Architecture; Beyond Their Limits. London: CRC Press, pp. 137–144. https://doi.org/10.1201/b20891-16
  15. MoMA (2014) Hy-Fi Tower – by The Living. MoMA, PS1 [online]. New York: MoMA. https://www.moma.org/calendar/exhibitions/3664 [Zugriff am: 7. Apr. 2022]
  16. World Design Embassies [eds.] The Growing Pavilion [online]. Eindhoven: World Design Embassies. www.worlddesignembassies.com/en/growing-pavilion [Zugriff am: 7. Apr. 2022]
  17. Trautz, M. et al. (2022) Timber and mycelium-based composite material for building construction. Symposium 6th Bioinspired Materials, Kostenz, Mar. 21–24, 2022.
  18. Myzelbasierter Lignozellulose-Verbundwerkstoff. Patentanmeldung (DRN) 2021122113010200 DE, eingereicht.
  19. Niemz, P. (2016) Physik des Holzes und der Holzwerkstoffe. München: Carl Hanser Verlag.
  20. Saez, D.; Bertsch A.; Grizmann, D.; Werner, A.; Trautz, M. (2022) Form influenced by material-specific properties of a mycelium composite. The Design Modelling Symposium Berlin 2022 “Towards Radical Regeneration” (zur Veröffentlichung angenommen).
  21. DIN EN 826:2013 (2013) Wärmedämmstoffe für das Bauwesen – Bestimmung des Verhaltens bei Druckbeanspruchung. Berlin: Beuth.
  22. DIN EN 12089:2013 (2013) Wärmedämmstoffe für das Bauwesen – Bestimmung des Verhaltens bei Biegebeanspruchung. Berlin: Beuth.
  23. DIN EN 12090:2013 (2013) Wärmedämmstoffe für das Bauwesen – Bestimmung des Verhaltens bei Scherbeanspruchung. Berlin: Beuth.
  24. Von der Hyden, A.; Lange, J. (2020) Sandwichelemente mit Wellpappe als Kernmaterial. Stahlbau 89, H. 11, S. 895–903. https://doi.org/10.1002/stab.202000075

Autorinnen und Autoren

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Martin Trautz, trautz@trako.arch.rwth-aachen.de
Dana Laura Saez, M.Sc., saez@trako.arch.rwth-aachen.de
Denis Grizmann, M.Sc., grizmann@trako.arch.rwth-aachen.de
RWTH Aachen, Lehrstuhl Tragkonstruktionen
www.trako.arch.rwth-aachen.de

Dr.-Ing. Anett Werner, anett.werner@tu-dresden.de
TU Dresden, Institut für Naturstofftechnik, Enzymtechnik
www.tu-dresden.de

Dieser Aufsatz wurde in einem Peer-Review-Verfahren begutachtet. Eingereicht: 11. April 2022; angenommen 2. Mai 2022.

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