Ein gradientenstrukturiertes All-Zellulose-Bio-Schaumstoffmaterial, ermöglicht durch lösungsmittelinduzierte molekulare Selbstassemblierung für nachhaltige Isolationsmodule

Ein neuer Schaumstoff für eine sauberere Zukunft

Schaumstoff begegnet uns überall im Alltag, von der Dämmung in unseren Wänden bis zur Verpackung, die Sendungen schützt. Der Großteil dieses Schaums besteht aus erdölbasierten Kunststoffen, die über Jahrhunderte in der Umwelt verbleiben und schädliche Mikroplastikpartikel abgeben. Dieser Artikel beschreibt eine neue Art von Schaum, der vollständig aus Zellulose besteht – dem natürlichen Material, aus dem Pflanzenzellwände aufgebaut sind. Die Forscher zeigen, wie sich pflanzengewonnene Zellulose in einen robusten, leichten und recycelbaren Schaum verwandeln lässt, der Gebäude dämmen kann und gleichzeitig Verschmutzung und CO2-Emissionen deutlich reduziert.

Warum ein Umdenken bei Kunststoffschaum wichtig ist

Traditionelle Kunststoffschäume wie Polystyrol und Polyurethan sind beliebt, weil sie leicht, gut formbar und wirksam gegen Wärme- und Lärmdämmung sind. Sie stammen jedoch meist aus nicht-erneuerbaren fossilen Rohstoffen und verursachen bei der Herstellung hohe Treibhausgasemissionen. Nach der Entsorgung zersetzen sich diese Schäume nicht biologisch, sondern zerfallen langsam in winzige Kunststofffragmente, die Meere, Böden und Tiere belasten. Da Regierungen und internationale Organisationen verstärkt gegen Plastikmüll vorgehen, benötigen Ingenieurinnen und Ingenieure dringend Ersatzmaterialien, die die Leistung von Kunststoffschaum erreichen oder übertreffen, ohne die gleichen ökologischen Nachteile.

Schaumstoff aus Pflanzen statt aus Öl bauen

Das Team hinter dieser Arbeit entwickelte einen „All-Zellulose“-Schaum, den sie All-Cel-Schaum nennen. Sie beginnen damit, Zellulose aus Biomasse in einer speziellen Flüssigkeit zu lösen und setzen dann Ethanol – im Wesentlichen Alkohol – ein, um die Zellulosemoleküle schonend zur Reassemblierung in einen festen Schaum zu bringen. Dieser Prozess läuft bei Raumtemperatur ab und benötigt weder giftige Treibmittel noch energieintensives Gefriertrocknen. Während Ethanol in die Lösung eindringt, verheddern sich die Zelluloseketten und fixieren sich zu einem dreidimensionalen Netzwerk. Da diese Assemblierung an der Oberfläche und im Inneren mit unterschiedlicher Geschwindigkeit erfolgt, entwickelt der Schaum von selbst eine clevere „Gradienten“-Struktur: Die äußeren Schichten sind dichter mit kleineren Poren, während das Innere offener ist und größere, wabenartige Zellen aufweist.

Leicht, zäh und hitzebeständig

Dieses Gradienten-Design verleiht All-Cel-Schaum eine ungewöhnliche Kombination von Eigenschaften. Er ist sehr leicht – etwa ein Zehntel der Dichte massiver Kunststoffe – und kann dennoch ungefähr das 400-fache seines Eigengewichts tragen, bei einer Drucksteifigkeit, die höher ist als bei gängigen heute verwendeten Kunststoffschäumen. Bei Biege- und Aufpralltests widersteht er Rissen und kann Stöße absorbieren, die herkömmliche Schäume zerschlagen würden. Das Material hält auch hohen Temperaturen gut stand: Es behält seine Steifigkeit bis etwa 200 °C und bleibt bis etwa 264 °C stabil – Temperaturen, bei denen viele Kunststoffschäume weich werden, sich verformen oder versagen. Als Dämmstoff zwischen einer heißen Lichtquelle und einer Metallbox angewendet, verlangsamt der Schaum den Wärmetransfer deutlich und hält die Box nur geringfügig wärmer als Raumtemperatur, obwohl die Oberfläche des Schaums selbst sehr heiß wird. Computersimulationen von Gebäuden deuten darauf hin, dass der Einsatz von All-Cel-Schaum in Wänden die Energieeinsparungen erzielen kann, die mit weit verbreiteten Kunststoffdämmungen vergleichbar sind.

Sicherer im Brandfall und schonender für den Planeten

Schaumstoffe in Gebäuden müssen außerdem im Brandfall sicher sein. Durch Tränken von All-Cel-Schaum in einer Lösung aus Phytinsäure, einem pflanzenbasierten Flammschutzmittel, erzeugten die Autoren eine Variante, die viel weniger leicht brennt als gebräuchliche Kunststoffschäume. In kontrollierten Brandtests setzte dieser behandelte Schaum deutlich weniger Wärme und Rauch frei, und die Flammen erloschen bald nach Entfernen der Zündquelle – dank einer schützenden Kohleschicht, die an der Oberfläche entsteht. Ebenso wichtig ist, dass sich der Schaum leicht formen und umformen lässt. Er kann direkt in Formen gegossen, in Wasser erweicht und umgeformt sowie recycelt werden, indem gebrauchte Stücke wieder aufgelöst werden, um neue Schaumblöcke herzustellen. Im Boden zersetzt sich All-Cel-Schaum innerhalb weniger Monate allmählich und verschwindet, im Gegensatz zu herkömmlichen Schäumen, die nahezu unverändert bleiben. Eine Lebenszyklusanalyse zeigt, dass die Herstellung dieses Zelluloseschraums die CO2-Emissionen gegenüber einigen gebräuchlichen Kunststoffschäumen um mehr als die Hälfte reduzieren kann und zugleich andere Umweltbelastungen verringert.

Auf dem Weg zu grüneren Gebäuden und Produkten

Für Nichtfachleute ist die Kernbotschaft einfach: Diese Forschung zeigt, dass pflanzenbasierte Materialien inzwischen mit vielen erdölbasierten Schäumen in Festigkeit, Sicherheit und Dämmleistung konkurrieren und sie sogar übertreffen können. All-Cel-Schaum vereint die Leichtigkeit und Nützlichkeit bekannter Verpackungs- und Bauschaumstoffe mit den Vorteilen von Erneuerbarkeit, Recyclingfähigkeit und biologischer Abbaubarkeit. Wenn die Technologie erfolgreich skaliert wird, könnte sie dazu beitragen, Häuser, Fahrzeuge und Produkte energieeffizienter zu machen und die Belastung unserer Umwelt durch Kunststoffabfälle zu verringern.

Zitation: Zeng, S., Tong, Z., Li, X. et al. A gradient-structured all-cellulose biofoam enabled by solvent-induced molecular assembly for sustainable insulation modules. Nat Commun 17, 1913 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68803-8

Schlüsselwörter: Zellulose-Schaum, grüne Dämmung, biologisch abbaubare Materialien, Alternativen zu Kunststoffschaum, nachhaltige Gebäude