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Reis, Bier und Urin wurden in antike Bauwerke gemischt – das könnte erklären, warum sie heute noch stehen

Roms Pantheon hat sich sehr gut gehalten, wenn man bedenkt, dass es zwischen 118 und 128 n. Chr. wiederaufgebaut wurde.  - Copyright: AP Photo/Domenico Stinellis
Roms Pantheon hat sich sehr gut gehalten, wenn man bedenkt, dass es zwischen 118 und 128 n. Chr. wiederaufgebaut wurde. - Copyright: AP Photo/Domenico Stinellis

In dem Bestreben, besser für die Zukunft zu bauen, suchen Wissenschaftler nach Antworten in der längst vergangenen Zeit – schauen also auf antike Bauwerke. Antike Baumeister auf der ganzen Welt schufen Bauwerke, die noch heute, Tausende von Jahren später, stehen - von römischen Ingenieuren, die dicke Seesperren aus Beton gossen, über Maya-Maurer, die Gipsskulpturen für ihre Götter anfertigten, bis hin zu chinesischen Baumeistern, die Mauern gegen Eindringlinge errichteten.

Doch zahlreiche neuere Bauwerke haben bereits ihr Verfallsdatum erreicht: Der Beton, aus dem ein Großteil unserer modernen Welt besteht, hat eine Lebensdauer von etwa 50 bis 100 Jahren.

Eine wachsende Zahl von Wissenschaftlern hat Materialien aus längst vergangenen Epochen untersucht - sie haben Gebäudeteile abgeschlagen, historische Texte studiert und Rezepte nachgebaut - in der Hoffnung, herauszufinden, wie sie sich über Jahrtausende gehalten haben.

Baumrinde, vulkanische Asche, Reis, Bier und sogar Urin

Dieses Reverse Engineering hat eine überraschende Liste von Zutaten zutage gefördert, die in alte Gebäude gemischt wurden: Materialien wie Baumrinde, Vulkanasche, Reis, Bier und sogar Urin. Diese unerwarteten Zusätze könnten der Schlüssel zu einigen beeindruckenden Eigenschaften sein, wie der Fähigkeit, mit der Zeit stärker zu werden und Risse zu "heilen", wenn sie entstehen.

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Wenn man herausfindet, wie man diese Eigenschaften nachahmen kann, könnte das heute echte Auswirkungen haben: Unser moderner Beton ist zwar stark genug, um riesige Wolkenkratzer und schwere Infrastrukturen zu tragen, aber er kann nicht mit der Ausdauer dieser alten Materialien mithalten.

Und angesichts der zunehmenden Bedrohung durch den Klimawandel wird der Ruf nach einer nachhaltigeren Bauweise immer lauter. In einem aktuellen UN-Bericht wird geschätzt, dass die bebaute Umwelt für mehr als ein Drittel der weltweiten CO2-Emissionen verantwortlich ist - und allein die Zementproduktion macht mehr als sieben Prozent dieser Emissionen aus.

"Wenn man die Eigenschaften des Materials verbessert, indem man (…) traditionelle Rezepte der Maya oder der alten Chinesen verwendet, kann man ein Material herstellen, das im modernen Bauwesen auf viel nachhaltigere Weise verwendet werden kann", so Carlos Rodriguez-Navarro, ein Forscher zum kulturellen Erbe an der spanischen Universität Granada.

Ist antiker römischer Beton besser als der heutige?

Viele Forscher haben sich von den Römern inspirieren lassen. Ab etwa 200 v. Chr. bauten die Architekten des Römischen Reiches beeindruckende Betonbauten, die sich bis heute bewährt haben - von der hoch aufragenden Kuppel des Pantheons bis zu den robusten Aquädukten, die noch heute Wasser transportieren.

Sogar in Häfen, in denen das Meerwasser seit Jahrhunderten auf die Bauwerke einwirkt, findet man Beton "im Grunde so, wie er vor 2000 Jahren gegossen wurde", so John Oleson, Archäologe an der Universität Victoria in Kanada.

Ziegelsteine umgeben den freiliegenden Zement im Pantheon in Rom, während Wissenschaftler nach Hinweisen auf seine Haltbarkeit suchen. - Copyright: AP Photo/Domenico Stinellis
Ziegelsteine umgeben den freiliegenden Zement im Pantheon in Rom, während Wissenschaftler nach Hinweisen auf seine Haltbarkeit suchen. - Copyright: AP Photo/Domenico Stinellis

Der meiste moderne Beton besteht aus Portlandzement, einem Pulver, das durch Erhitzen von Kalkstein und Ton auf sehr hohe Temperaturen und anschließendes Mahlen hergestellt wird. Dieser Zement wird mit Wasser gemischt, um eine chemisch reaktionsfähige Paste zu erhalten. Dann werden Gesteins- und Kiesbrocken hinzugefügt, die durch den Zementleim zu einer Betonmasse verbunden werden.

Den Aufzeichnungen antiker Architekten wie Vitruv zufolge war das Verfahren bei den Römern ähnlich. Die antiken Baumeister mischten Materialien wie gebrannten Kalkstein und Vulkansand mit Wasser und Kies, wodurch chemische Reaktionen ausgelöst wurden, die alles miteinander verbanden.

Jetzt glauben Wissenschaftler, einen entscheidenden Grund dafür gefunden zu haben, warum ein Teil des römischen Betons Bauwerke über Tausende von Jahren gehalten hat: Das antike Material hat eine ungewöhnliche Fähigkeit, sich selbst zu reparieren. Wie das genau funktioniert, ist noch nicht klar, aber die Wissenschaftler beginnen, Hinweise zu finden.

In einer Anfang dieses Jahres veröffentlichten Studie schlug Admir Masic, ein Bau- und Umweltingenieur am Massachusetts Institute of Technology, vor, dass diese Kraft von Kalkbrocken herrührt, die in dem römischen Material verteilt sind, anstatt gleichmäßig eingemischt zu werden. Früher dachten die Forscher, diese Brocken seien ein Zeichen dafür, dass die Römer ihre Materialien nicht gut genug vermischt haben.

Stattdessen fanden die Wissenschaftler nach der Analyse von Betonproben aus Privernum - einer antiken Stadt in der Nähe von Rom - heraus, dass die Brocken die "Selbstheilungskräfte" des Materials fördern könnten. Wenn sich Risse bilden, kann Wasser in den Beton eindringen, erklärte Masic. Dieses Wasser aktiviert die verbliebenen Kalktaschen und setzt neue chemische Reaktionen in Gang, die die beschädigten Stellen auffüllen können.

Marie Jackson, Geologin an der Universität von Utah, vertritt einen anderen Standpunkt. Ihre Forschungen haben ergeben, dass der Schlüssel in den spezifischen vulkanischen Materialien liegen könnte, die von den Römern verwendet wurden.

Die Baumeister sammelten vulkanisches Gestein, das nach Eruptionen zurückblieb, um es in ihren Beton zu mischen. Dieses von Natur aus reaktive Material verändert sich im Laufe der Zeit durch die Wechselwirkung mit den Elementen, so Jackson, und kann so entstehende Risse abdichten.

"Die Fähigkeit, sich im Laufe der Zeit immer wieder anzupassen, ist wirklich das Geniale an diesem Material", so Jackson. "Der Beton ist so gut konzipiert, dass er sich selbst erhält."

Mit Baumsaft zu Skulpturen so stark wie Muscheln

In Copan, einer Maya-Ausgrabungsstätte in Honduras, sind die kunstvollen Kalkskulpturen und Tempel auch nach mehr als 1000 Jahren in heißer, feuchter Umgebung noch intakt. Laut einer in diesem Jahr veröffentlichten Studie könnte das Geheimnis der Langlebigkeit dieser Strukturen in den Bäumen liegen, die zwischen ihnen sprießen.

Die Forscher hatten hier eine lebendige Verbindung zu den Schöpfern der Strukturen: Sie trafen sich mit einheimischen Maurern in Honduras, die ihre Abstammung bis zu den Maya-Baumeistern zurückverfolgten, erklärte Rodriguez-Navarro, der an der Studie mitarbeitete.

Die alte Maya-Stätte Copan verfügt über zahlreiche Bauwerke, darunter die Hieroglyphen-Treppe auf der Akropolis, die vor 1.000 Jahren errichtet wurde. - Copyright: AP Photo/Moises Castillo
Die alte Maya-Stätte Copan verfügt über zahlreiche Bauwerke, darunter die Hieroglyphen-Treppe auf der Akropolis, die vor 1.000 Jahren errichtet wurde. - Copyright: AP Photo/Moises Castillo

Die Steinmetze lassen vermuten, dass in der Kalkmischung Extrakte der örtlichen Chukum- und Jiote-Bäume verwendet wurde. Als die Forscher das Rezept testeten - sie sammelten die Rinde, legten die Stücke in Wasser ein und fügten den daraus resultierenden Baumsaft" dem Material hinzu - stellten sie fest, dass der daraus resultierende Putz besonders widerstandsfähig gegen physikalische und chemische Schäden war.

Als die Wissenschaftler genauer hinsahen, stellten sie fest, dass Teile des organischen Materials aus dem Baumsaft in die Molekularstruktur des Gipses eingebaut wurden. Auf diese Weise war der Maya-Gips in der Lage, robuste natürliche Strukturen wie Muscheln und Seeigelstacheln zu imitieren - und sich etwas von deren Zähigkeit zu leihen, so Rodriguez-Navarro.

In Studien wurden alle möglichen natürlichen Materialien gefunden, die in Bauwerke aus längst vergangenen Zeiten gemischt wurden: Fruchtextrakte, Milch, Käsebruch, Bier, sogar Dung und Urin. Der Mörtel, der einige der berühmtesten Bauwerke Chinas - darunter die Große Mauer und die Verbotene Stadt - zusammenhält, enthält Spuren von Stärke aus klebrigem Reis.

Glück oder Können?

Einige dieser antiken Baumeister hatten vielleicht einfach nur Glück, sagt Cecilia Pesce, Materialwissenschaftlerin an der Universität Sheffield in England. Sie warfen so ziemlich alles in ihre Mischungen, solange es billig und verfügbar war - und die, die nicht funktionierten, sind schon lange zusammengebrochen.

"Sie haben alles Mögliche in den Bau gesteckt", sagte Pesce. "Und jetzt haben wir nur noch die Gebäude, die überlebt haben. Es ist also wie ein natürlicher Ausleseprozess."

Der Mörtel, der für die Große Mauer und die Verbotene Stadt verwendet wurde, enthielt klebrigen Reis, um die Baumaterialien miteinander zu verbinden, und er hat Tausende von Jahren überdauert.  - Copyright: AP Photo/Mark Schiefelbein
Der Mörtel, der für die Große Mauer und die Verbotene Stadt verwendet wurde, enthielt klebrigen Reis, um die Baumaterialien miteinander zu verbinden, und er hat Tausende von Jahren überdauert. - Copyright: AP Photo/Mark Schiefelbein

Aber einige Materialien scheinen mehr Absicht zu zeigen - wie in Indien, wo die Baumeister Mischungen lokaler Materialien herstellten, um unterschiedliche Eigenschaften zu erzielen, so Thirumalini Selvaraj, Bauingenieurin und Professorin am Vellore Institute of Technology in Indien.

Selvarajs Forschungen zufolge verwendeten die Baumeister in feuchten Gebieten Indiens einheimische Kräuter, die den Strukturen helfen, mit Feuchtigkeit umzugehen. An der Küste fügten sie Jaggery hinzu, einen unraffinierten Zucker, der vor Salzschäden schützen kann. Und in erdbebengefährdeten Gebieten verwendeten sie superleichte "schwimmende Ziegel" aus Reishülsen.

"Sie kennen die Region, die Bodenbeschaffenheit und das Klima", sagte Selvaraj. "Also entwickeln sie ein Material, das darauf abgestimmt ist."

Antike römische … Wolkenkratzer?

Heutige Bauherren können die antiken Rezepte nicht einfach kopieren. Auch wenn der römische Beton lange hielt, konnte er keine schweren Lasten tragen: "Mit römischem Beton könnte man keinen modernen Wolkenkratzer bauen", sagt Oleson. "Er würde zusammenbrechen, wenn man die dritte Etage erreicht.

Stattdessen versuchen die Forscher, einige der Besonderheiten des antiken Materials in moderne Mischungen einzubauen. Masic ist Teil eines Start-ups, das versucht, neue Projekte mit römisch inspiriertem, "selbstheilendem" Beton zu bauen. Und Jackson arbeitet mit dem Army Corps of Engineers zusammen, um Betonkonstruktionen zu entwerfen, die dem Meerwasser standhalten - wie die in römischen Häfen -, um die Küsten vor dem Anstieg des Meeresspiegels zu schützen.

Wir müssen die Dinge nicht so lange halten wie die Römer, um etwas zu bewirken, sagte Masic. Wenn wir die Lebensdauer von Beton um 50 oder 100 Jahre verlängern, "brauchen wir auf lange Sicht weniger Abriss, weniger Wartung und weniger Material."


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