Die gelartigen Dämpfer in unseren Bandscheiben nach Beschädigung ersetzen, ausgelaufenes Öl aufsaugen oder Kohlendioxid aus der Luft filtern: Dafür liefern Bäume einen umweltfreundlichen Rohstoff – Nanozellulose. Pilze dagegen sorgen dafür, dass Holz besser klebt oder schöner klingt. In der Forschung über die aussergewöhnlichen Fähigkeiten dieses Materials zählt die Empa zur Weltspitze.

Brennen für Holz: Tanja Zimmermann, die Leiterin des Labors für Angewandte Holzforschung, und ihr Kollege Sebastien Josset.

Selbst 30 Meter hohe Bäume halten dem Wind stand, auch wenn ihre Stämme relativ dünn sind. Um dieses erstaunliche Phänomen zu verstehen, untersuchte Tanja Zimmermann jahrelang intensiv den Aufbau von Holz. Heute leitet sie die Abteilung Angewandte Holzforschung an der Empa in Dübendorf. «Verantwortlich für die Zugfestigkeit des Holzes ist die Zellulose – ein exzellentes Leichtbaumaterial», erklärt die Expertin. Zermahlt man die Zellulose, bis die einzelnen Fasern weniger als hundert Nanometer dick sind, hat das Material noch bessere mechanische Eigenschaften, da Fehler ausgeschieden werden. «Ursprünglich haben wir die Nanofasern zur Verstärkung von (Bio-)Kunststoffen eingesetzt», erzählt Tanja Zimmermann. «Dabei haben wir dann bemerkt, dass die Zellulose noch viel mehr kann.»

Rührt man nur zwei Gewichtsprozent Nanozellulose in Wasser ein, entsteht ein festes Gel. Dieses könnte sich als besonders gut verträgliches Material im biomedizinischen Bereich eignen. Zusammen mit der EPFL entwickelten die Empa-Forschenden ein Hydrogel mit Nanozellulose, das als Ersatz für den Gallertkern von Bandscheiben dienen soll. Der Abbau des Gallertkerns führt häufig zu Rückenschmerzen oder gar Bandscheibenvorfällen. Wie sich das Hydrogel in die Wirbelsäule einbringen lässt und wie es sich dort verhält, testen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der EPFL jetzt an toten Rinderschwänzen. In den frischen Schlachtabfällen sind die Zellen noch aktiv, so dass die Forschenden wichtige Resultate für künftige Anwendungen beim Menschen erwarten. «Wir haben unsere Entwicklung publiziert und auch schon patentiert», so Tanja Zimmermann. «Aber bis sie tatsächlich medizinisch angewendet wird, dauert es sicher noch eine Weile.»

Freibewitterung einer Holzbeschichtung mit funktionalisierter Nanozellulose. Im Bild: Martin Arnold, Leiter der Gruppe Holztechnologie?/?Oberflächentechnologie.

Generell setzt die Empa in ihren Forschungsschwerpunkten auf fünf verschiedene Themen: Nanostrukturierte Materialien, Nachhaltiges Bauen, Gesundheit und Leistungsfähigkeit, natürliche Ressourcen und Schadstoffe sowie Energietechnologien. «Bei all diesen Forschungsschwerpunkten können wir Nanozellulose einsetzen, sie deckt die ganze Bandbreite der Empa-Forschung ab», meint Tanja Zimmermann begeistert. «Ich brenne für dieses Material. Wir haben unzählige spannende Projekte, bei denen wir Nanozellulose einsetzen wollen.»

Wundermaterial gegen Ölverschmutzung

Eines davon machte 2014 erstmals Schlagzeilen: Schwämme aus Nanozellulose sollen Ölverschmutzungen in Gewässern beseitigen. Entzieht man der Nanozellulose das Wasser, entsteht ein besonders saugkräftiges Material, das allerdings Wasser und Öl gleichermassen absorbiert. Erst als das Forschungsteam dem Ausgangs-Gel einen Zusatzstoff beimischte, verlor dieses seine «wasserliebende» Eigenschaft und absorbierte nur noch Öl. Im Laborversuch saugte der Schwamm in Sekundenschnelle das Fünfzigfache seines Eigengewichts an Öl auf. Er liess sich zudem auswaschen und bis zu zehnmal wiederverwenden.

«Im Gegensatz zu anderen Gruppen haben wir für die Herstellung eine relativ einfache, umweltfreundliche Chemie verwendet», erklärt Tanja Zimmermann. Obwohl viele interessierte Anwender, darunter die Seepolizei Zürich, die Empa-Forschenden mit Anfragen überhäuften, dauerte es einige Zeit, bis sich eine Firma finden liess, welche in die Produktion des neuen Materials im Tonnenmassstab investieren wollte.

Der modifizierte Celluloseschwamm kann das Fünfzigfache seines Eigengewichts an Öl aufsaugen.

Nun beabsichtigt das Unternehmen Wicor Weidmann in Rapperswil-Jona zusammen mit der Empa aus dem Nanozellulose-Schwamm marktfähige Produkte zu entwickeln. «Das Material selbst und die benötigte Chemie haben wir im Griff», erklärt Tanja Zimmermann. Doch der Trocknungsprozess muss ökonomischer werden; die im Labor angewandte Gefriertrocknung ist für die Massenproduktion zu teuer. Doch die Wissenschaftlerin ist zuversichtlich, dass sich ein billigeres Verfahren finden lässt. Kommt der Nanozellulose-Schwamm auf den Markt, könnte man damit Motorenöl oder alle Arten von Lösungsmitteln aufsaugen. Will man die Nanozellulose nicht einsammeln und wieder verwenden, kann man sie problemlos verbrennen. Ob sich aber in Zukunft auf diese Weise auch grosse Ölkatastrophen auf dem Meer wirksam bekämpfen lassen, weiss Tanja Zimmermann noch nicht: «Da möchte ich nicht zu viel versprechen.»

Netzwerk aus winzigen Spaghetti

Der Werkstoff, mit dem die Empa-Forschenden experimentieren, besteht aus fünf bis hundert Nanometer breiten Fasern mit einer Länge im Mikrometerbereich. «Es ist ein spaghettiähnliches Material, das sich sehr stark vernetzt, so dass es keine Nanopartikel gibt, welche die Gesundheit gefährden könnten», erklärt die Expertin. Aus Nanozellulose kann man Schwämme, Gele, Schäume oder Membranen herstellen. Damit lässt sich beispielsweise Wasser von Verunreinigungen wie Huminsäure oder Schwermetallen befreien – oder Kohlendioxid aus der Umgebungsluft filtern. Dies ist das Ziel einer Anlage, die Climeworks, eine Spin-off-Firma der ETH Zürich, entwickelt hat.

Ein entsprechend funktionalisierter Nanozellulose-Schaum fängt das Kohlendioxid aus der durchströmenden Luft ein und setzt es wieder frei, wenn das Material auf 70 bis 90 Grad erhitzt wird. Das so gewonnene CO2 kann in der Getränkeproduktion oder zum beschleunigten Wachstum von Pflanzen in Gewächshäusern verwendet werden. Der CO2-Fänger steht kurz vor der Marktreife. «Unsere Nanozellulose konkurriert dabei mit einem Kunststoffmaterial», sagt Tanja Zimmermann und hofft, dass die umweltfreundliche Variante aus Dübendorf das Rennen machen wird.

«Grüne Chemie» ist auch das Ziel von Francis Schwarze und Mark Schubert, Holzforscher an der Empa in St.Gallen. Sie untersuchen, wie man Pilze als Nützlinge einsetzen kann, um Holz zu modifizieren und zu funktionalisieren. «Das ist meines Wissens weltweit einzigartig», sagt Francis Schwarze, der auch Professor für Forstbotanik an der Albert-Ludwigs-Universität in Freiburg ist. «Dabei nutzen wir alle Stadien des Pilzes vom Myzel über die Fruchtkörper und Sporen bis zu den Enzymen oder Polymeren, welche die Pilze herstellen.» Ein Enzym, das sich als besonders vorteilhaft erwiesen hat, heisst Laccase, welches erstmals im 19. Jahrhundert aus dem Saft des japanischen Lackbaums isoliert wurde.

Laccase reagiert mit vielen Molekülen, braucht dabei nur Sauerstoff und liefert als Abfallprodukt nur Wasser. «Mit Hilfe der Laccase können wir diverse Moleküle an die Holzoberfläche binden und damit das Holz kostengünstig und umweltfreundlich funktionalisieren», erklärt Mark Schubert. So kann man etwa Holzoberflächen dauerhaft wasserabweisend machen. Aber auch das Gegenteil lässt sich mit Hilfe des Enzyms erreichen: Holzoberflächen, die gut benetzbar sind und dadurch optimal verklebt werden können. In einem Projekt in Zusammenarbeit mit dem Faserplattenhersteller Pavatex setzt das Empa-Team Laccase ein, um umweltfreundlichere Produkte zu produzieren. «Dank der  Laccase haftet das Bindemittel besser. Dadurch erreicht man entweder eine grössere Festigkeit, oder man braucht weniger Bindemittel», erklärt der begeisterte Wissenschaftler. «Das ist grossartig.»

Optimales Klangholz

Am meisten Gehör in der Öffentlichkeit fanden die Forscher bisher aber mit ihrer Veredlung von Klangholz. «Bereits in meiner Doktorarbeit habe ich untersucht, wie verschiedene Pilze Holz abbauen», erzählt Francis Schwarze. Er fand einen Pilzstamm, der in Baumstämme hineinwächst und das Holz so leichter macht, ohne dass sich dabei die Schallgeschwindigkeit im Material ändert. Das pilzbehandelte Holz könnte sich besonders für den Geigenbau eignen, überlegte der Wissenschaftler: «Denn hochwertiges Klangholz sollte leicht sein.» So verwendete Antonio Stradivari für seine berühmten Instrumente Holz, das zwischen 1645 und 1715 im sogenannten Maunderminimum, einer Periode mit längeren Wintern und kühleren Sommern, gewachsen war und neben einer hohen Biegefestigkeit eine geringere Dichte hat.

In einem Blindversuch, bei dem der Meistergeiger Matthew Trusler verschiedene Instrumente – darunter eine Stradivari – hinter einem Vorhang spielte, war das Urteil der 200 Zuhörerinnen und Zuhörer eindeutig: Die Geige «Opus 58» aus Holz, das neun Monate mit einem Pilz behandelt worden war, schnitt am besten ab. «Ich sass da und dachte, das muss die Stradivari sein», erinnert sich Francis Schwarze an den Test im Jahr 2009. Inzwischen haben die Forscher die Methode zur Herstellung des Klangholzes beschleunigt und standardisiert. «Das Verfahren ist jetzt reproduzierbar und die Qualitätssicherung gewährleistet», sagt der Empa-Forscher. «Heute wissen wir viel besser, warum diese pilzbehandelten Instrumente so ähnlich klingen wie eine über 300 Jahre alte Geige.»

Nach dem Erfolg mit «Opus 58» übernahm die Walter Fischli-Stiftung die Finanzierung des Projekts. Ihr Ziel ist die Förderung junger Musiker. In ein, zwei Jahren sollen die ersten pilzbehandelten Geigen auf den Markt kommen. Sie werden 5000 bis 10 000 Franken mehr kosten als eine herkömmliche Meistergeige, für die man zwischen 15 000 und 50 000 Franken ausgeben muss. Im Vergleich zu einer zwei Millionen Dollar teuren Stradivari ist dies aber ein geringer Aufpreis. «Jeder kann den Unterschied zwischen einer neuen, unbehandelten Geige und einem pilzbehandelten Instrument hören», schwärmt Schwarze und präsentiert zum Beweis gern seine Audiodateien.