Innovative Microwave Foamed Egg White-Cork Composite for Enhanced Acoustic Absorption: Valorizing By-Products into Sustainable Construction Materials

Lärm ist ein ständiger Begleiter in der modernen gebauten Umwelt, ein anhaltender Druck, den Architekten und Ingenieure zu mildern versuchen. Um einen Raum leiser zu machen, greifen wir oft zu Materialien, die Schallwellen eher einfangen als sie zurückzuwerfen. Seit Jahrzehnten dienen synthetische Schäume und schwere Mineralplatten diesem Zweck, doch die Bauindustrie sucht zunehmend nach Alternativen, die nicht auf Erdöl basieren oder übermäßige Abfälle erzeugen. Die Natur bietet mit Kork, der Rinde der Eichenbaumart, einen vielversprechenden Kandidaten, der von Natur aus leicht ist und mit winzigen Lufttaschen gefüllt ist, die den Schall unterbrechen. Das Problem besteht jedoch darin, dass die Verarbeitung von Kork zu einem nützlichen Baumaterial meist das Binden mit synthetischen Harzen oder schweren Mörteln erfordert, was sein akustisches Potenzial und seine ökologischen Vorteile schmälern kann. Die Frage bleibt: Können wir ein Material schaffen, das sowohl hocheffektiv bei der Absorption von Lärm als auch wahrhaft nachhaltig ist, indem wir Inhaltsstoffe verwenden, die ansonsten entsorgt würden?

Ein Team von Forschern aus Italien und Spanien hat eine neuartige Antwort untersucht, indem sie Kork mit einem unerwarteten Bindemittel kombinierten: Eiweiß. In ihrer Studie untersuchten sie, ob die im Eiklar enthaltenen Proteine in einen klebrigen, porösen Schaum verwandelt werden könnten, der Korkgranulate zusammenhält, ohne dass harte Chemikalien erforderlich sind. Der Prozess beruht auf einer spezifischen Art der Wärmebehandlung mittels Mikrowellen – einer Technologie, die aus der Küche bekannt ist, hier jedoch angewendet wird, um die interne Struktur des Materials umzugestalten. Indem sie eine Mischung aus flüssigem Eiklar und Korkgranulat Mikrowellenstrahlung aussetzen, verdampft das Wasser im Eiklar schnell, was dazu führt, dass das Protein expandiert und zu einem schwammartigen Netzwerk erstarrt. Dieser Schaum fungiert als Kleber, der die Korkstücke zu einem Verbundstoff verbindet, der dann in eine einfache Mörtelmischung eingebettet wird. Das Ziel war es zu sehen, ob dieser „mikrowellengeformte“ Ansatz ein Material schaffen kann, das leichter, poröser und besser bei der Absorption von Schall ist als herkömmliche Kork-Mörtel-Mischungen, während gleichzeitig Nebenprodukte aus der Lebensmittel- und der Korkindustrie genutzt werden.

Die Forscher bereiteten drei verschiedene Arten von Proben vor, um ihre Hypothese zu testen. Die erste war eine Standard-Mörtelmischung, die als Basis diente. Die zweite kombinierte den Mörtel mit Korkgranulat, jedoch ohne das Eiklar. Die dritte, die innovativste, mischte den Mörtel mit Korkgranulaten, die durch das mikrowellengeformte Eiklar zusammengebunden worden waren. Um zu verstehen, was in diesen Materialien geschah, untersuchte das Team sie unter einem leistungsstarken Mikroskop. Sie fanden heraus, dass die Probe, die das gefilmte Eiklar enthielt, eine komplexe, miteinander verbundene Struktur mit fadenähnlichen Strängen besaß, die den Kork und den Mörtel ineinander zu verweben schienen. Im Gegensatz dazu zeigte die Probe, die nur aus Kork und Mörtel bestand, eine klare Trennung zwischen den beiden Materialien, ohne ein solches Bindungsnetzwerk. Dieser Unterschied in der Struktur war entscheidend, da das gefilmte Eiklar ein hochporöses Material mit offenen Lufttaschen schuf – ein Merkmal, das als essenziell für das Einfangen von Schallwellen gilt.

Als das Team die physikalischen Eigenschaften dieser Materialien maß, bestätigten die Ergebnisse die strukturellen Beobachtungen. Der Verbundwerkstoff aus dem gefilmten Eiklar war signifikant leichter als die anderen, wobei seine Dichte im Vergleich zum reinen Mörtel um fast die Hälfte sank. Wichtiger noch: Seine offene Porosität – der Anteil des Materials, der aus Luft besteht – erreichte dreiunddreißig Prozent, was doppelt so viel war wie bei der reinen Korkmischung und mehr als das Fünffache des reinen Mörtels. Diese hohe Porosität beeinflusste direkt, wie das Material mit Schall umging. Die Forscher testeten die Proben, indem sie sie Schallwellen variierender Frequenzen aussetzten und maßen, wie viel Energie absorbiert statt reflektiert wurde. Der reine Mörtel reflektierte fast den gesamten Schall und wirkte wie eine harte, glatte Wand. Die Kork-Mörtel-Mischung verbesserte sich leicht, aber der Verbundwerkstoff mit dem gefilmten Eiklar zeigte eine deutliche Verbesserung, insbesondere bei mittleren bis hohen Frequenzen. Bei einer Frequenz von eintausend Hertz, was dem Bereich der menschlichen Sprache und vieler gewöhnlicher Haushaltsgeräusche entspricht, absorbierte der neue Verbundwerkstoff fast dreißig Prozent der Schallenergie, was einen signifikanten Sprung gegenüber der vernachlässigbaren Absorption des reinen Mörtels darstellte.

Über die Akustik hinaus waren die Forscher auch um Sicherheit und Haltbarkeit besorgt. Sie setzten die Proben direkter Flamme aus, um zu sehen, wie sie auf Feuer reagieren würden. Während das Material, das das gefilmte Eiklar enthielt, schließlich ein kleines Loch an der Stelle entwickelte, an der die Hitze am intensivsten war, fing es nicht Feuer und trug keine Flamme. Es verhielt sich selbstlöschend, indem es verkohlte und langsam Material verlor, ohne das Feuer auszubreiten. Dies deutete darauf hin, dass das proteinbasierte Bindemittel keine neue Brandgefahr darstellte, eine kritische Anforderung für jedes Baumaterial. Das Team untersuchte auch die Umweltauswirkungen ihrer Produktionsmethode. Durch die Verwendung von industriellen Nebenprodukten wie Korkabfällen und Eiklar, das nicht für den menschlichen Verzehr geeignet ist, vermieden sie die Konkurrenz zur Lebensmittelversorgung. Zudem war der Mikrowellenprozess, der das Material aufschäumte und trocknete, bemerkenswert schnell und dauerte weniger als eine halbe Stunde, was wesentlich schneller ist als die Tage, die oft für traditionelle Trocknungsmethoden erforderlich sind. Diese Geschwindigkeit, kombiniert mit der Nutzung von Abfallmaterialien, deutet auf einen Weg hin zu einer stärkeren Kreislaufwirtschaft im Bauwesen, in der entsorgte Ressourcen in wertvolle Bauteile verwandelt werden.

Die Studie kommt zu dem Schluss, dass dieser mikrowellengeformte Eiklar-Kork-Verbundstoff eine praktikable, nachhaltige Alternative zur Schallabsorption in Gebäuden bietet. Er kombiniert erfolgreich die akustischen Vorteile einer porösen Struktur mit der für den Bau erforderlichen mechanischen Stabilität, und das alles unter Verwendung von biobasierten Bindemitteln anstelle von synthetischen Chemikalien. Das Material ist keine perfekte Lösung für jede akustische Herausforderung, da seine Leistung je nach Frequenz des Schalls und Dicke der Paneele variiert, aber es stellt einen bedeutenden Schritt nach vorn dar. Indem sie potenzielle Abfälle in ein funktionales Material verwandelten, das leichter, poröser und effektiv bei der Dämpfung von Lärm ist, haben die Forscher eine praktische Anwendung der Prinzipien der Kreislaufwirtschaft demonstriert. Die Arbeit legt nahe, dass mit den richtigen Verarbeitungstechniken das bescheidene Eiklar und Korkreste eine leise, aber wichtige Rolle bei der Schaffung leiserer, nachhaltigerer Lebensräume spielen könnten.