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Bisher lag der Forschungsschwerpunkt vor allem auf neuen Verwendungsmöglichkeiten

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Chalmers Forscher suchen nach neuen Ressourcen im Wald

Das Wallenberg Wood Science Center erforscht Möglichkeiten, um aus Bäumen neue High-Tech-Materialien jenseits der traditionellen Zellulosefasern herzustellen. Das Zentrum umfasst 15 Forscher in 5 Abteilungen und legt den Grundstein für eine erfolgreiche Forschung. Und es fängt gerade an, einen höheren Gang einzulegen.

Transparentes Holz aus Nanocellulose, schwer entflammbare Zelluloseschäume zur Isolierung und kunststoffähnliche Verpackungsmaterialien aus Hemicellulose - nur einige Beispiele für neue, in Schweden entwickelte Holzwerkstoffkonzepte, die in den letzten Jahren Schlagzeilen gemacht haben. Biobasierte Batterien und Solarzellen sowie künstliches „Holz“, das in 3D gedruckt werden kann, haben die kollektive Vorstellungskraft erregt. Weniger bekannt ist jedoch die Tatsache, dass die meisten dieser Ideen das Ergebnis eines zukunftsweisenden Forschungsprogramms sind, das vor über zehn Jahren ins Leben gerufen wurde - das Wallenberg Wood Science Center.

Als die Knut- und Alice-Wallenberg-Stiftung eine Finanzierungsinvestition von knapp einer halben Milliarde Kronen ankündigte, stellten sich Chalmers und KTH erstmals als Konkurrenten auf. Auf Initiative der Stiftung wurden sie jedoch Kooperationspartner. Und einige Jahre bevor das Programm überhaupt abgeschlossen war, wurde ein Programm zur Erweiterung entworfen, um es zu vergrößern und zu erweitern. Innerhalb eines Jahres wurde WWSC 2.0 eingeführt, das bis 2028 laufen soll. Die Universität Linköping wird nun ebenfalls teilnehmen, und Industriepartner sind auch an der Finanzierung über die Forschungsplattform Treesearch beteiligt. Die Chalmers Foundation wird auch mehr Forschungsgelder zur Verfügung stellen. Insgesamt werden im kommenden Jahrzehnt über eine Milliarde Kronen in die forstwirtschaftliche Materialforschung investiert, wobei Biotechnologie, Materialwissenschaft und physikalische Chemie interdisziplinär kombiniert werden.
Lisbeth Olsson, Professorin für industrielle Biotechnologie, ist Vizedirektorin des WWSC und verantwortlich für die Forschung von Chalmers im Rahmen des Programms. Wenn sie über das, was das Forschungszentrum bereits geliefert hat, nachdenkt, sieht sie nicht diese Schlagzeile, die neue Materialien hervorbringt, als die Hauptbeiträge.
„Ich würde wahrscheinlich sagen, dass das Wichtigste, was der WWSC der Forstwirtschaft gegeben hat, die Kompetenz ist. Viele Doktoranden und Postdocs aus dem Programm haben eine Anstellung in der Branche gefunden “, sagt sie.

Dieses gesteigerte Wissen um grundlegende Fragen hat eindeutig dazu beigetragen, dass die Forstwirtschaft heute viel zukunftsorientierter ist. Als die WWSC 2008 begann, war die Forschung laut Lisbeth Olsson noch sehr traditionell und konzentrierte sich auf die Zellstoff- und Papierindustrie.
„Heute definieren wir Materialien stattdessen anhand ihrer molekularen Eigenschaften. Wir diskutieren diese Dinge auf eine ganz andere Art und Weise. Auch wenn die Industrie zum großen Teil die gleichen Papiere, Verpackungsmaterialien und Hygieneprodukte herstellt wie vor zehn Jahren, gibt es eine molekulare Perspektive für die Zukunft. “

Alle Teile eines Baumes können besser genutzt werden

Was diese Entwicklungen antreibt, ist das Ziel einer nachhaltigeren Gesellschaft und ein Ausstieg aus fossilen Brennstoffen. Mit dieser Umweltperspektive steigt auch der Bedarf an Material- und Energieeffizienz. Langfristig bedeutet dies, dass es selbst mit einem nachwachsenden Rohstoff nicht nachhaltig ist, potenziell wertvolle Holzbestandteile zu zerstören oder zu verschwenden. Dies ist in vielerlei Hinsicht das, was die traditionelle Zellstoffindustrie heute tut, wenn es um Lignin geht.

„Eine wesentliche Idee innerhalb von WWSC ist es, die verschiedenen Teile der Bäume besser zu nutzen. Die Vision ist es, eine Art Bioraffinerie für Material zu schaffen “, sagt Lisbeth Olsson.

Bisher lag der Forschungsschwerpunkt vor allem auf neuen Verwendungsmöglichkeiten von Cellulose, beispielsweise in Form von Nanocellulose, sowie auf der Untersuchung des Potenzials von Hemicellulose - etwa dem Recycling von Polymeren zur Bildung dichter Schichten oder deren Verwendung als Bestandteil von Verbundwerkstoffen .
„Im Laufe der Forschung werden wir auch viel mehr Energie in die Untersuchung von Lignin investieren, das mit seinen aromatischen Verbindungen eine völlig andere Chemie aufweist. Eine Idee ist, die Moleküle zu karbonisieren, um ihnen elektrische Eigenschaften zu verleihen “, sagt Lisbeth Olsson.

Wenn sie nicht gerade mit der Leitung der Aktivitäten von Chalmers innerhalb des WWSC beschäftigt ist, an dem 5 verschiedene Abteilungen und etwa 15 Forscher beteiligt sind, verbringt sie die meiste Zeit mit ihrer eigenen Forschung. Lisbeth Olsson untersucht gemeinsam mit ihren Kollegen, wie mithilfe von Enzymen und Mikroorganismen die Bestandteile von Bäumen getrennt und verändert werden können, bevor sie zu Materialien mit neuen, intelligenten Eigenschaften zusammengesetzt werden.

Erstens ein Bedürfnis nach tieferem Verständnis

Wir verlassen das Büro und gehen die Treppe hinunter zum Labor für industrielle Biotechnologie, um eine kurze Tour durch die Petrischalen und Fermentationsgefäße zu machen. Von rund 40 Mitarbeitern arbeiten hier 5 hauptberuflich und beziehen Materialien aus den Rohstoffen der Bäume.

„Wir schauen uns sehr genau an, wie verschiedene Pilze aus dem Wald Holz abbauen und welche Enzyme sie verwenden. Wir können die Enzyme auch „optimieren“, so dass sie beispielsweise eine Oberflächenmodifikation vornehmen, anstatt eine chemische Bindung zu lösen “, sagt Lisbeth Olsson und fügt hinzu, dass sie sogar Beispiele wie hitzebeständige Holzpilze aus vietnamesischen Wäldern untersuchen.

„Wenn wir zum Beispiel bei einem Fadenpilz eine interessante Fähigkeit finden, können wir genetische Techniken anwenden, um diese Fähigkeit gegen Bakterien oder Hefen zu extrahieren. Das kann dann das gleiche Enzym in größerem Maßstab produzieren. “

Eine Schwierigkeit bei einem natürlichen Material wie Holz ist sein besonders heterogener und komplexer Aufbau. Um zu verstehen, was sich auf einer tiefen Ebene abspielt, müssen Forscher verschiedene Zyklen in verschiedenen Maßstäben gleichzeitig untersuchen - von Mikrometern bis zu Bruchteilen eines Nanometers. Lisbeth Olsson und ihre Kollegen sind noch nicht so detailliert, wie es wirklich nötig ist.

„Wir haben ein Modell dafür, wie Bäume unserer Meinung nach aussehen. Aber wir wissen es nicht genau “, erklärt sie.
Große Investitionen eröffnen neue Möglichkeiten

Aber bald werden sich neue Möglichkeiten ergeben. Die Wallenberg-Stiftung und Treesearch werden zusammen bis zu 200 Milliarden Kronen in den Bau und Betrieb eines proprietären Teilchenstrahls in der Synchrotronanlage Max IV außerhalb von Lund investieren. Das Instrument mit dem Namen Formax ist vergleichbar mit einem extrem leistungsfähigen Röntgenmikroskop und wurde speziell für die baumbezogene Materialforschung entwickelt. Es wird für die ersten Testversuche ab 2021 bereit sein.

Aber wenn die Forscher nun eine Reihe wirksamer Enzyme identifiziert haben, die zu innovativen Biomaterialien beitragen könnten, wie können sie sich dann wirklich auf kleinstem Raum in die Holzstruktur einarbeiten?

Eine mögliche Antwort ist ein paar Treppenstufen tiefer im Chemiegebäude, in dem sich die Abteilung für Forstprodukte und Chemieingenieurwesen befindet. Hier hat der wissenschaftliche Mitarbeiter Tuve Mattsson mit einem Doktoranden der Abteilung gerade eine kleine Dampfexplosion eines Rings von Holzschnitzeln durchgeführt. Kurz gesagt, bei dieser Methode werden eingeweichte Hackschnitzel in einem Druckbehälter aufgefangen, bevor Dampf eingepumpt wird. Die Temperatur und der Druck steigen stark an, bevor das Ventil plötzlich öffnet. Knall! Wasser im Holz fängt an zu kochen und sich auszudehnen und platzt das Holz von innen heraus.

„Für das bloße Auge sind die Chip-Teile ziemlich ähnlich - sie ändern nur die Farbe. Betrachten Sie sie jedoch mit einem Rasterelektronenmikroskop, und Sie sehen ziemlich deutlich, wie sich die Strukturen ein wenig geöffnet haben “, sagt Tuve Mattsson.

"Wir wollen das Holz nicht zu sehr abbauen. Dann verliert man an Material- und Energieeffizienz “, fügt Lisbeth Olsson hinzu. „Dies könnte eine zukünftige Verarbeitungsstufe sein, um mildere, enzymatischere Methoden in der Industrie zu ermöglichen. Solche Methoden sind auch eine Grundvoraussetzung, um eine weitere Schlüsselvision von WWSC umsetzen zu können - dass neue Materialien recycelt werden können, ohne an Wert zu verlieren. “

„Dies ist eine große Herausforderung für die Zukunft. Wenn ein Produkt seinen Zweck überlebt hat, sollten Sie in der Lage sein, die verschiedenen Materialkomponenten zu extrahieren und auf neue Weise zusammenzufügen, um eine gleichwertige Qualität zu erzielen “, sagt Lisbeth Olsson.

"Wenn uns das gelingt, muss dieser Denkprozess von Anfang an vorhanden sein."

Chalmers-Forscher im WWSC

Chemistry and chemical technology: Anette Larsson, Christian Müller, Gunnar Westman, Hans Theliander, Lars NordstiernaMerima Hasani, Paul Gatenholm, Tiina Nypelö and Tuve Mattsson
Biology and biological sciences: Johan Larsbrink, Lisbeth Olsson
Physics: Aleksandar Matic, Eva Olsson, Marianne Liebi
Industrial and materials science: Roland Kádár
Microtechnology and nanoscience: Peter Enoksson

Nachahmung der Holz-Ultrastruktur mit 3D-Druck

Porös, stark und starr. Holz ist ein fantastischer Werkstoff. Jetzt ist es Forschern am Wallenberg Wood Science Center gelungen, aus dem genetischen Code des Holzes einen 3D-Bioprinter zum Drucken von Zellulose mit einer Zellstruktur und ähnlichen Eigenschaften wie Naturholz in völlig neuen Formen zu entwickeln.

Lesen Sie den vollständigen Artikel hier: https://www.chalmers.se/en/departments/chem/news/Pages/Miming-the-ultrastructure-of-wood-with-3D-printing-for-green-products.aspx

erschienen am: 2020-01-12 im europaticker



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