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Wie selbstorganisierende körnige Materialien die Zukunft der Architektur verändern
Architektur ist eine konservative Disziplin, nicht zuletzt wegen der hohen Stabilitäts- und Sicherheitsstandards, die alle von Menschenhand geschaffenen Bauwerke einhalten müssen. Die Kräfte, die auf und in jeder Struktur wirken, müssen sorgfältig berechnet und die Konstruktion entsprechend angepasst werden. Dem Zufall kann wenig überlassen werden.
Das ist zumindest die traditionelle Ansicht. Aber einige Designer spielen mit einer anderen Idee – dass es eine andere Art zu bauen gibt, die den Zufall ausnutzt, anstatt ihn zu vermeiden. Diese Art von Gebäuden wird auf neuartigen körnigen Materialien beruhen, die sich beim Kippen auf eine Weise verbinden, die für strukturelle Stabilität sorgt. Auf diese Weise konnten Wände, Säulen und sogar Kuppeln gegossen werden, um komplexe, aber stabile Strukturen zu bilden.
Das mag nach Science-Fiction klingen, aber heute erklären Sean Keller vom Illinois Institute of Technology in Chicago und Heinrich Jaeger von der University of Chicago, wie eine solche aleatorische Architektur endlich möglich wird. Diese Leute sagen, dass die ersten aleatorischen Strukturen bereits gebaut werden und dass der Ansatz neue Wege einführt, über Architektur und Design im Allgemeinen nachzudenken.
Zuerst etwas Hintergrund. Seit Tausenden von Jahren verwenden Menschen körnige Materialien wie Steine, Sand oder Erde, um Strukturen zu bauen. Noch heute ist die Technik für den Bau von Dämmen, Hafenbrechern und Schotterbetten für Eisenbahnen üblich.
Diese Strukturen profitieren von den besonderen Eigenschaften von körnigen Materialien – ihrer porösen Natur, die eine schnelle Entwässerung ermöglicht, und der Tatsache, dass sie schnell und kostengünstig an Ort und Stelle gegossen werden können.
Interessanter ist die Art und Weise, wie sie Lasten tragen. Herkömmliche Strukturen erfordern speziell gestaltete Säulen oder Bögen. Aber körnige Materialien beruhen auf Kraftketten zwischen benachbarten Partikeln innerhalb der Materialien, die aufgebaut werden, wenn das Material gestaut wird. Gleichzeitig kann das Material fließen, wenn der Stau gelöst wird.
Es gibt jedoch einen Nachteil. Die Form dieser Strukturen wird durch den natürlichen Ruhewinkel des Materials stark eingeschränkt. Und das schränkt auch die Anwendungen ein.
Viele der Eigenschaften von körnigen Materialien werden durch die Form der Partikel bestimmt, aus denen sie hergestellt werden. Diese ist in vielen Fällen ungefähr kugelförmig.
Aber in den letzten Jahren haben Materialwissenschaftler begonnen, mit Partikeln mit exotischeren Formen zu experimentieren, wie z. B. 3-D-Sternformen, X-Formen, Hakenformen und anderen. Diese verklemmen sich beim Gießen leichter und bilden stabile Strukturen.
Das hat zu einer völlig neuen Art geführt, über Design nachzudenken. Traditionell haben Architekten mit den kleinsten Strukturkomponenten wie Säulen, Bögen, Mauern usw. begonnen und diese zu größeren Strukturen wie Brücken, Häusern und Wolkenkratzern zusammengefügt.
Doch die Eigenschaften dieser neuen Granulate stellen diesen Ansatz auf den Kopf. Mit diesem Zeug können Architekten über die Gesamtform nachdenken und dann ausarbeiten, wie sie erreicht werden kann, indem sie das körnige Material an Ort und Stelle gießen.
Ein Ansatz besteht darin, das Material in einen luftdichten Stoffbehälter zu gießen, der vakuumverpackt werden kann. Dadurch entsteht der Druck, der das Material in nahezu jede gewünschte Form staut. Vor einigen Jahren bauten Ingenieure der Technischen Universität Delft eine Brücke mit dieser luftleeren Idee (unten).
Ein ehrgeizigeres Ziel ist es, die Gesamtstruktur zu entwickeln und dann rückwärts zu arbeiten, um die Form der Partikel zu bestimmen, die sie beim Gießen erzeugen würden. Diese Granulate könnten dann 3-D-gedruckt und an Ort und Stelle gegossen werden, wo sie sich selbst zusammenbauen oder mit einem Roboter zusammengebaut würden.
Das wird einen tiefgreifenden Einfluss auf den Designprozess haben. Dadurch wird die Vorplanung von der Berücksichtigung lokaler baulicher Details befreit, so Keller und Jaeger. Stattdessen besteht die Hauptaufgabe nun darin, die richtigen Partikelformen sowie die allgemeinen Rand- und Verarbeitungsbedingungen zu generieren, um sicherzustellen, dass die gewünschte Zielstruktur bei der Realisierung mechanisch stabil ist.
Die ersten zaghaften Schritte zu dieser Art von Konstruktion werden bereits mit faszinierenden Ergebnissen unternommen. Könnte es sein, dass das nächste Haus, in das Sie einziehen, eher gegossen als gebaut wurde? Wahrscheinlich nicht, aber das danach nicht ausschließen.
Ref: arxiv.org/abs/1510.05721 : Aleatorische Architekturen