Biochar mit Stahlfestigkeit: UofT-Forscher revolutionieren Baustoffpotenzial verkohlter Biomasse

Ein bahnbrechender Forschungsbericht der Universität Toronto (UofT) positioniert Pflanzenkohle (Biochar) neu: weg vom reinen Umweltverbesserer hin zu einem ernstzunehmenden strukturellen Werkstoff. Die Essenz dieser Entdeckung, publiziert im Fachjournal Biochar X, liegt in der Ingenieurskunst, Biochar so zu erzeugen, dass seine mechanischen Kennwerte mit denen von Baustahl vergleichbar sind. Diese Neuklassifizierung eröffnet weitreichende Perspektiven für die nachhaltige Materialwissenschaft.

Unter der Leitung von Professor Charles Q. Jia vom Green Technology Laboratory der Universität Toronto untersuchte das Forscherteam Biochar aus sieben verschiedenen Holzarten, darunter Ahorn, Kiefer, Bambus und das extrem dichte Afrikanische Eisenholz. Durch die Erhitzung der Biomasse bei Temperaturen zwischen 600 und 1.000 Grad Celsius erzielten die Wissenschaftler bemerkenswerte Resultate. Insbesondere erreichte der aus Afrikanischem Eisenholz gewonnene Biochar eine axiale Härte von 2,25 Gigapascal, was eine direkte Parallele zur Festigkeit von handelsüblichem Baustahl darstellt. Diese quantifizierbaren Zahlen liefern Ingenieuren eine sofort greifbare Messlatte für potenzielle Anwendungen.

Die Analyse deckte zudem eine extreme Anisotropie bei Hemlockholz auf, bei dem die axiale Härte die transversale Härte um das 28,5-fache übertraf. Diese ausgeprägte Richtungsabhängigkeit resultiert laut den fortgeschrittenen Analysen aus der natürlichen, hierarchischen Porenstruktur des Holzes und ist nicht primär eine Eigenschaft des reinen Kohlenstoffmaterials. Zu den weiteren beteiligten Wissenschaftlern zählen Qinyi Wang, Yating Ji, Mohana M. Sridharan, Lizhong Lang, Yu Zou und Donald W. Kirk.

Professor Jia betonte, dass Biochar nun als strukturelles Element betrachtet werden müsse, was Anwendungen wie hochfeste Elektroden, leichte Verbundwerkstoffe und flussrichtungsabhängige Filter ermöglicht. Die Studie etabliert den ersten quantitativen Rahmen, um monolithische Biochar-Strukturen mit vorhersagbarem mechanischem Verhalten zu entwerfen. Diese Entwicklung kommt zu einem Zeitpunkt, da die globale Industrie verstärkt auf zirkuläre und umweltfreundliche Technologien setzt, indem sie Biomasseabfälle in Hochleistungsmaterialien umwandelt.

Ergänzend zur strukturellen Eignung wird untersucht, wie Pflanzenkohle auch andere industrielle Bereiche bereichern kann. So wird Biochar bereits im Sinterprozess der Stahlherstellung als Ersatz für fossilen Koksgrus erprobt, wobei in diesem Prozess bis zu 60 Prozent ersetzt werden könnten, was erhebliche ökologische Vorteile mit sich bringt. Darüber hinaus kann Biochar als Zusatzstoff die Eigenschaften von Beton verbessern oder die mechanische Stabilität von Asphalt bei höheren Temperaturen erhöhen, wobei der Kohlenstoff langfristig in diesen Materialien gebunden wird. Die Konsistenz des Materials auf der Nanoskala, die sich über verschiedene Holzarten hinweg als einheitlich erweist, deutet auf eine erreichbare industrielle Standardisierung hin.