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Solarhäuser und solare Bauelemente

3D-Druck in der Architektur (D)


Endlich geht es auch hierzulande voran, als die bereits 1969 gegründete Firma PERI GmbH, ein Schalungsspezialist aus Bayern, im nordrhein-westfälischen Beckum „Deutschlands erstes Wohnhaus aus dem 3D-Drucker“ errichtet.

Das Haus hat zwei Stockwerke mit einer Wohnfläche von jeweils 80 m2 und besitzt dreischalige Wände, die mit Isoliermasse verfüllt werden. Dabei benötigt der 3D-Drucker, der von zwei Personen bedient wird, für einen Quadratmeter Hohlwand nur fünf Minuten. Theoretisch möglich wäre sogar die vierfache Geschwindigkeit. Die spätere Verlegung von Leitungen und Anschlüssen wird bereits beim Druck berücksichtigt.

Die Initiative für das innovative Bauprojekt geht auf den Beckumer Unternehmer Georgios Staikos zurück, der die Vision hatte, ein solches Haus in Beckum drucken zu lassen und die beteiligten Partner vor rund anderthalb Jahren zusammengebrachte. Geplant wird das Wohnhaus durch Waldemar Korte vom Beckumer Ingenieur- und Architekturbüro Mense + Korte, Bauherr ist die neugegründete Firma Hous3Druck GmbH aus Beckum, und die TU München unterstützt das Projekt mit der Planung und Durchführung der Zulassungsprüfungen.

Zum Druck wird der 3D-Drucker BOD2 eingesetzt, dessen Technik von dem o.e. dänischen Hersteller COBOD stammt. Der eigens für das Projekt entwickelte Beton namens i.tech 3D wird von Heidelberg Cement geliefert. Die PERI GmbH ist übrigens der deutsche Distributor von COBODs 3D-Konstruktionsdruckern und hat sich 2018 auch an dem Unternehmen beteiligt (der erste Drucker wird Ende 2020 an die Röser GmbH in Laupheim geliefert, wo er unterschiedlichste Betonfertigteile produzieren wird).

PERI-Haus in Beckum

PERI-Haus in Beckum

Da der Bau als nicht kostendeckend eingestuft wird, erhält das Projekt durch das Ministerium für Heimat, Kommunales, Bau und Gleichstellung des Landes Nordrhein-Westfalen einen Zuschuß in Höhe von 200.000 € aus dem Förderprogramm ‚Innovatives Bauen‘. Deshalb wird die Baustelle im September 2020 auch von NRWs Bauministerin Ina Scharrenbach besucht – was wiederum die Berichterstattung über das Projekt ankurbelt. Der staatliche Zuschuß ist allerdings kein Selbstzweck, sondern soll wichtige Erfahrungswerte bringen, um Standards zu definieren, die das Genehmigungsverfahren bei zukünftigen Bauten deutlich vereinfachen.

Die charakteristischen Schichten der einzelnen Lagen aus dem Drucker sind als Designelement im gesamten Haus sichtbar, am Kamin, im Bad und an der Fassade – ganz so wie bei den anderen vorgestellten Gebäuden. Sie sind zwar ein eindeutiges Merkmal der 3D-Technik, doch ich persönlich denke, daß die öffentliche Akzeptanz merklich zunehmen würde, wenn die unverputzten Wülste im Zuge des Druck geglättet werden, was sich technisch leicht bewerkstelligen ließe.

Das Haus soll nach der Fertigstellung im März 2021 zunächst anderthalb Jahre lang als Musterhaus zu besichtigen sein. Die offizielle Einweihung des Pilotprojektes erfolgt allerdings erst Ende Juli. Und während der Bau dieses ersten Hauses noch rund acht Monate dauerte, von denen die reine Druckzeit 100 Stunden, also nur etwas mehr als vier Tage, gedauert hat, soll die Bauzeit beim nächsten Mal auf nur fünf Monate sinken.

PERI-Haus in Wallenhausen Grafik

PERI-Haus in Wallenhausen
(Grafik)

Die Firma PERI realisiert inzwischen in Weißenhorn-Wallenhausen ein voll unterkellertes Mehrfamilienhaus mit fünf Wohneinheiten auf drei Etagen. Dem Stand vom November 2020 zufolge sollen alle Teile innerhalb von nur sechs Wochen gedruckt werden. Auch hier kommt der Portaldrucker BOD2 zum Einsatz. Sobald das Haus mit 380 m2 Wohnfläche fertiggestellt ist, wird es zu diesem Zeitpunkt tatsächlich das größte gedruckte Wohnhaus in Europa sein.

Das Gebäude, dessen Planung das Architekturbüro Mühlich, Fink & Partner BDA aus Ulm übernahm, ist nicht als Forschungs- oder Demonstrationsprojekt geplant, sondern die Wohnungen sollen regulär vermietet werden. Allerdings wollen die beteiligten Unternehmen eine Wohnung als Musterwohnung nutzen, um Interessenten die Möglichkeiten zu zeigen, die der 3D-Druck beim Bau von Gebäuden bietet. Als Bauherr beteiligt ist die Michael Rupp Bauunternehmung GmbH aus Pfaffenhofen an der Roth. Die Firma will sich mit der neu gegründeten Tochter Rupp Gebäudedruck ab 2021 auf den 3D-Sektor spezialisieren.

Damit es sich optimal ins Ortsbild einfügt,̈ soll das Haus optisch klassisch wirken. Es erhält deshalb Gauben und Fensterlä̈den, und das Steildach wird mit Biberschwanz-Ziegeln eingedeckt. Es gibt vier Zweizimmerwohnungen mit Terrassen sowie eine Vierzimmerwohnung im Dachgeschoß. Im Juli 2021 wird das Haus fertiggestellt und von den Mietern bezogen.


Im September 2020 präsentiert das im Vorjahr gegründete Hochtechnologie-Startup Aeditive mit Sitz in Norderstedt bei Hamburg mit dem Concrete Aeditor einen speziellen Beton-3D-Drucker für das Baugewerbe vor, der Betonteile mit Maximalmaßen von 11 x 4 x 4 m produziert. Der Aeditive Concrete Aeditor besteht aus sechs Containermodulen und kann flexibel und autonom eingesetzt werden. Die Container müssen dann nur noch mit Süßwasser-, Strom- und Abwasseranschlüssen versorgt werden.

Concrete Aeditor

Concrete Aeditor

Bei dem Fertigungsprozeß nutzt das Unternehmen das Robotic Shotcrete Printing (RSP), das auf dem Spritzbetonverfahren beruht. Dabei wird im Concrete Aeditor eine Stahlpalette positioniert, auf der ein Kuka-Roboter den Beton aufträgt. Die Bewehrung und Einbauteile werden automatisiert von einem zweiten Roboter integriert. Anschließend fährt die Palette samt Bauteil aus dem Bauraum heraus. Der Name des Unternehmens ist übrigens ein Kunstwort und leitet sich von ‚Additive Fertigung‘ und ‚Aedificium‘ ab, lateinisch für Bauwerk.

Im Juni 2021 erhält die Aeditive im Zuge einer Seed-Finanzierungsrunde mit dem Hauptinvestor BitStone Capital 6 Mio. € Kapital. Weitere Investoren sind die Berliner VC Atlantic Labs, die bereits in der Pre-Seed-Phase investiert hatten, die Glatthaar Holding, Europas größter Hersteller von Bodenplatten und Fertigteilkellern, sowie mehrere renommierte Business Angels. Mit dem frischen Kapital soll die Technologie nun auf den Markt gebracht werden.

Die Firma druckt bereits maßgeschneiderte Brückenteile aus hochwertigem Beton, ohne eine Schalung dafür anfertigen zu müssen. Der Zeitpunkt dafür ist ausgesprochen passend, denn in Deutschland herrscht derzeit ein regelrechter Sanierungsstau. Etwa die Hälfte aller Bauten, die hier zwischen 1945 und 1980 errichtet wurden, müssen saniert werden, da sie nicht mehr den gesetzlichen Anforderungen entsprechen. Eine Vorfertigung der Betonteile verkürzt die Bauzeiten und – besonders im Fall von Brücken – die damit einhergehenden Verkehrseinschränkungen.


Im November 2020 berichten Forscher der University of California, Berkeley, darüber, daß sie 3D-gedruckte Polymer-Oktettgitter in Betonstrukturen eingebaut haben, in denen das Polymer als Verstärkung fungiert. Damit ist es möglich, den Betonanteil in der Mischung um etwa 33 % zu reduzieren, das Gesamtgewicht der Konstruktion zu verringern und gleichzeitig ihre Duktilität zu erhöhen, d.h. die Eigenschaft eines Werkstoffs, sich unter Scherbelastung vor einem Bruch dauerhaft plastisch zu verformen.

Bei der Suche nach der optimalen Geometrie für das 3D-Gitter entschied man sich für das Oktettfachwerk – eine isotrope Struktur, die Mitte des 20. Jahrhunderts vom Architekten Buckminster Fuller populär gemacht wurde –, da dieses sowohl stark als auch leicht ist und vor allem Arme hat, die sich in alle Richtungen erstrecken.

Die Studie der Wissenschaftler um Brian Salazar trägt den Titel ‚Polymer lattice-reinforcement for enhancing ductility of concrete‘ und ist im Netz abrufbar.


Forschungen zu 3D-druckbaren Baumaterialien werden laut Meldungen vom Januar 2021 auch von Wissenschaftlern der australischen RMIT University um Jonathan Tran durchgeführt. In diesem Fall werden die 3D-gedruckten Betonstrukturen stärker gemacht, indem sich die Forscher von Hummerschalen-Mustern inspirieren lassen. Durch die Nachbildung der biologischen Spiralmuster mit einem Beton-3D-Drucker gelingt es, Jahrtausende natürlicher Selektion und Evolution zu nutzen, um damit zu einer Erhöhung der Festigkeit und Haltbarkeit zu gelangen.

Nachdem die Forscher anfangs auch mit Stahlfaserverstärkungen experimentiert hatten, können sie schließlich einen Verbundwerkstoff formulieren, der stärker ist als selbst traditionell hergestellter Beton. Das RMIT-Team druckt damit die schalenartigen Muster in 3D in verschiedenen Winkeln, beginnend bei 10°, und stellt fest, daß sich die größte Festigkeitsverbesserung bei einer vollständig spiralförmigen Geometrie ergibt.

Die Arbeiten befinden sich noch in einem frühen Stadium, weshalb weitere Untersuchungen erforderlich sind, um zu testen, wie sich der Beton bei einer größeren Bandbreite von Parametern verhält. Nach der Investition in einen neuen 5 x 5 m Beton-3D-Drucker kündigt das Team an, seine zukünftigen Forschungsbemühungen zudem auf den 3D-Druck von Häusern und anderen Gebäuden zu konzentrieren und gleichzeitig die Verwendung recycelter Abfallmaterialien für Beton zu untersuchen.


Im Februar 2021 wird der Plan zur Errichtung der weltweit ersten 3D-gedruckten Schule bekanntegeben, der in Fianarantsoa im Süden von Madagaskar erfolgen soll.

Das Projekt ist das Ergebnis einer Zusammenarbeit zwischen der gemeinnützigen Organisation Thinking Huts aus Colorado, dem internationalen Architekturbüro Studio Mortazavi und der jungen finnischen 3D-Betondruckfirma Hyperion Robotics. Der Bau soll noch in diesem Jahr beginnen, sofern es Thinking Huts gelingt, die dafür erforderlichen 350.000 $ zu sammeln.

Geplant ist ein einstöckiges Gebäude mit einer Größe von rund 157 m2, in dem rund 30 Schüler Platz finden. Zur Stromerzeugung werden Solarpaneele installiert, es gibt ein Regenwassersammelsystem, und die Innenräume werden natürlich belüftet. Die Gesamtform des Gebäudes ist als ‚Pod‘ konzipiert, mit der Idee, daß bei Bedarf relativ einfach weitere Module hinzugefügt werden können. Die Grafik zeigt beispielsweise vier solcher Pods, die miteinander verbunden sind.

Inspiriert von einem Bienenstock wird jedes keilförmige Modul aus Ton mit natürlichen Pigmenten aus der lokalen Landschaft bedruckt und dann mit anderen Einheiten zu verschiedenen Konfigurationen zusammengefügt. Jedes davon kann als eigenständiges Klassenzimmer verwendet werden, das Platz für 20 Kinder bietet – zusätzlich zu einer Bibliothek, einem Lesebereich, zwei Toiletten, einem Waschbecken und einem Stauraum. Zudem wird das umweltfreundliche Projekt voraussichtlich einen vertikalen Garten an der Außenseite ser 3D-gedruckten Wände haben.

Das Team um die Thinking Huts-Gründerin Maggie Grout sagt, daß der Druckprozeß vermutlich 22 Tage dauern wird, was schneller ist als bei traditionellen Bautechniken in der Region. Zudem sei eine im 3D-Druckverfahren hergestellte Wand 27-mal stärker als eine aus sonnengetrockneten Lehmziegeln, 3,5-mal stärker als ofengebrannte Lehmziegel und doppelt so stark wie Standardbeton. Was letztlich zur Sicherheit der Schüler und zur Maximierung der Nutzungsdauer des Gebäudes beiträgt.

Nach dem Druck werden dann per Hand ein Wellblechdach sowie Türen und Fenster hinzugefügt und im Inneren die Möbel installiert. Die Schule ist ein Pilotprojekt, und Thinking Huts hofft, die Idee in Zukunft ausbauen und weitere Schulen in anderen Teilen Madagaskars und sogar auf der ganzen Welt anzubieten. Als ersten Schritt will man zusammen mit dem Materialpartner LafargeHolcim in der ländlichen Gemeinde Ibity auf Madagaskar drei weitere Schulen bauen.


Noch größer sind die Pläne, die das 2017 gegründete Bautechnologie-Start-Up Mighty Buildings aus Oakland in Kalifornien im März 2021 ankündigt, das dabei mit den Entwicklern Palari Group zusammenarbeitet. Mighty Buildings hatte im Monat zuvor über eine Serie-B-Finanzierungsrunde unter der Leitung von Khosla Ventures und Zeno Ventures 40 Mio. $ eingenommen.

Hausdesign von Mighty Buildings Grafik

Hausdesign von Mighty Buildings
(Grafik)

Baubeginn der 15 schachtelartigen Flachdach-Bungalows soll Ende dieses Jahres sein, die Fertigstellung der Wohnungen im kalifornischen Rancho Mirage dann im Frühjahr 2022 erfolgen. Bislang haben Mighty Buildings nur ‚Tiny Houses‘ mit den Namen Studio und Duo B hergestellt und vertrieben.

Das neue 15 Mio. $ Projekt, das als die „weltweit erste Gemeinde aus 3D-gedruckten Häusern mit Netto-Null-Emissionen“ bezeichnet wird, soll mit dem patentierten Mighty Kit System gebaut werden, einem Hybridverfahren, bei dem in einer Fabrik vorgefertigte Polymerverbundplatten 3D-gedruckt werden, bevor sie vor Ort zu modularen Häusern mit Stahlrahmen montiert werden. Grundlage ist die Wohneinheit Cinco von Mighty Buildings.

Jedes der 929 m2 großen Grundstücke umfaßt zwei Gebäude: eines mit 133 m2, das drei Schlafzimmer und zwei Bäder enthält, sowie ein Zweitwohnsitz von 64,5 m2 mit zwei Schlafzimmern und einem Bad. Jedes Haus ist mit einem Garten und einem rechteckigen Swimmingpool ausgestattet, und die mit strukturiertem Stein verkleideten Wände werden von raumhohen Glasfenstern unterbrochen.

Die Energie für die einstöckigen Häuser liefern Photovoltaikmodule von Tesla Solar, wobei auch die Möglichkeit besteht, Tesla Powerwall-Batterien zur Speicherung der Solarenergie zu verwenden. Zu den weiteren optionalen Funktionen gehören Ladestationen für Elektrofahrzeuge sowie eine Wellness-Technologie mit künstlicher Intelligenz namens DARWIN, die Luft und Wasser filtert und mittels spezieller Beleuchtungsmuster den zirkadianen Rhythmus des Menschen fördert.


Im April zeigt die niederländische ArchiTech Company den Entwurf eines 3D-gedruckten, modularen Pavillons, zu dessen Herstellung Abfälle aus der lokalen Hafenindustrie verwendet werden. In den großen Firmenlagern in der Umgebung fehlen oft komfortable, separate Arbeitsplätze. Dieses Problem soll nun innerhalb einer mit der Firma Royal3D und dem Hafenbetrieb Rotterdam gelöst werden.

Die als R-IGLO bezeichneten igluähnlichen Arbeitsräume bestehen aus recyceltem PET-Kunststoff, wodurch sie kontinuierlich wiederverwendet werden können. Der modulare Aufbau verwendet koppelbare Paneele unterschiedlicher Größe, so daß der gesamte Pavillon leicht auf- und abgebaut, bewegt und gelagert werden kann.

Der eigentliche Bau der 3D-gedruckten Pavillons findet in dem historischen Hafengebiet in Rotterdam statt, um lokale Unternehmen zu unterstützen und das Projekt nachhaltiger zu gestalten. Dabei wird der weltweit größten CFAM-Drucker (Continuous Fiber Additive Manufacturing) verwendet, der bei voller Leistung 15 kg/h druckt, so daß ein Modul von 4 x 2 x 1,5 m in nur 10 Tagen fertiggestellt werden kann.

Das Druckverfahren verstärkt die PET-Elemente mit kurzen Glasfasern, wodurch das Material stärker und widerstandsfähiger gegen Stöße wird und gleichzeitig eine 100 %-ige Recyclingfähigkeit erhalten bleibt. Das Design umfaßt auch die Steckdosen und ist mit Beleuchtung, Belüftung und Heizung ausgestattet, was die Entwickler als ‚modulare schlüsselfertige Lösung‘ bezeichnen.


Ebenfalls im April 2021 wird berichtet, daß Wissenschaftler der Swinburne University of Technology in Melbourne und der Hebei University of Technology in Tianjin im Rahmen einer Zusammenarbeit Bauschutt in ein nachhaltiges neues 3D-Druckmaterial verwandelt haben, das potentiell in schweren Bauanwendungen eingesetzt werden könnte.

Mit recycelten Betonzuschlagstoffen, Ceramsit-Partikeln und Wüstensand kann das Team einen kostengünstigen extrudierbaren Baustoff in drei verschiedenen Partikelklassen formulieren, der bei ersten Tests einen selbsttragenden ‚Skelett‘-Effekt zeigt, der dem neuartigen Betonersatz möglicherweise die erforderliche Festigkeit und Haltbarkeit verleiht. Bislang befindet sich das umweltfreundliche Material noch in der Entwicklung.

Ein Forscher der Swinburne University arbeitet zudem seit dem vergangenen Jahr mit dem französischen Bauunternehmen Bouygues Travaux Publics zusammen, um die Druckfestigkeit der Materialien zu untersuchen. Mit Methoden des maschinellen Lernens soll dabei ein stärkerer, für den 3D-Druckt geeigneter Geopolymerzement entwickelt werden.

In diesem Zusammenhang ist anzumerken, daß laut Berichten vom Vorjahr Wissenschaftler der TU Delft einen kalzinierten Zement auf Tonbasis vorgestellt haben, der speziell für den 3D-Druck mit erhöhter Fließkonstanz und Baubarkeit entwickelt wurde. Forscher der Universität Messina haben wiederum einen leichten Schaumbeton namens 3DPC formuliert, mit dem sich Gebäudestrukturen effektiver und ohne Schalung in 3D drucken lassen.

The Bridge Project Grafik

The Bridge Project
(Grafik)


Noch interessanter ist die Meldung vom April 2021, derzufolge die Baufirmen BAM Infrastructure und Weber Beamix mit dem Bau der „weltweit längsten 3D-gedruckten Fußgängerbrücke aus Beton“ in den Niederlanden begonnen haben, die von dem Designer Michiel van der Kley entworfen wurde. Weitere Partner sind die Technische Universität Eindhoven (die bereits 2017 in Gemert eine kleine 3D-Betonbrücke installiert hat, s.o.) sowie die niederländische Generaldirektion für öffentliche Arbeiten und Wasserwirtschaft Rijkswaterstaat.

Nach Fertigstellung wird die einfach The Bridge Project genannte Betonstruktur eine Länge von 29,5 m haben und damit den Weltrekord für die längste 3D-gedruckte Brücke brechen, den bislang mit 26 m die oben vorgestellte Betonbrücke der Tsinghua University in Shanghai hält.

Obwohl sie in Nijmegen aufgebaut wird, wird die Brücke derzeit in der Stadt Eindhoven gedruckt, wo sich die 3D-Druckanlage von BAM und Weber befindet. Die Partner wählten Nijmegen für das wegweisende Projekt, weil es 2018 zur Grünen Hauptstadt Europas gekürt wurde, was der umweltfreundlichen Philosophie der Brücke entspricht. Diese soll in weniger als einen Monat fertiggestellt sein, während Weber Beamix bereits den 3D-Druck von vier weiteren Brücken in den Niederlanden plant. Es sind zwar viele Fotos von der Baustelle zu sehen, aber zum Abschluß scheint das Projekt noch nicht gekommen zu sein (Stand: August 2021).

Die beiden Baufirmen hatten im Januar 2019 in Eindhoven Europas erste Beton-3D-Druck-Fabrik in Betrieb genommen, mit der großformatige Betonelemente kostengünstiger und effizienter hergestellt werden als mit konventionellen Fertigungsverfahren. Weitere Partner bei dem Projekt sind die Technische Universität Eindhoven und der Metalldraht-Hersteller Bekaert.


Ebenfalls im April berichten Ingenieure der Texas A&M University (TAMU) um Emily Pentzer darüber, daß sie einen neuen PCM-Verbundstoff entwickelt haben, der 3D-gedruckt werden kann. Phasenwechselmaterialien (Phase-Change-Materialien, PCM), die zwischen den Phasen der Materie wechseln, wenn sich die Temperatur ändert, sind gut geeignet für eine passive Temperaturregelung, da sie nicht zu den Energiefressern wie Heiz- und Kühlsysteme gehören.

Wird diese Technologie zur Isolierung eingesetzt, schmilzt das PCM bei der Aufnahme von Wärme zu einer Flüssigkeit und kühlt so seine Umgebung. Bei Abkühlung der Umgebungstemperatur verfestigt sich das Material wieder und gibt seine gespeicherte Wärme ab. Frühere PCMs sind eher ineffizient und teuer, da sie eine Hülle benötigen, um ihre flüssige Form zu enthalten. Das bedeutet, daß PCM-Pellets in das Baumaterial eingebettet werden müssen, um den Effekt zu nutzen.

Im Rahmen ihrer neuen Arbeit versuchen die Forscher stattdessen, ein PCM direkt in ein Baumaterial einzumischen. Hierzu vermischen sie Paraffinwachs (als PCM), mit flüssigem Harz als Stützstruktur, wodurch ein weiches, pastöses Material entsteht, das sich nach Bedarf formen läßt. Sobald es die gewünschte Form hat, kann das Harz mit UV-Licht ausgehärtet werden. Das Endergebnis ist ein solides Material, das in großen Mengen hergestellt werden kann, stark genug ist, um damit zu bauen, und das im Inneren Taschen aus PCM enthält.

Die Möglichkeit, PCM mit einer skalierbaren Methode in Baumaterialien zu integrieren, eröffnet Anwendungen für eine passivere Temperaturregelung sowohl in Neubauten als auch in bereits bestehenden Strukturen. Das Team demonstriert das neue Material, indem es ein kleines, hohles Hausmodell druckt und aushärten läßt. In einen Ofen gestellt, erweist sich das hohle Innere um 40 % kühler als die äußere Umgebung. Auch zeigt das Material nach über 200 Schmelz- und Erstarrungszyklen hinweg fast kein Austreten des PCM.

Fibonacci House im Bau

Fibonacci House
(im Bau)


Eine ganz eigene Ästhetik besitzt ein spiralförmiges 3D-gedrucktes Tiny House, das von der berühmten Fibonacci-Reihe inspiriert ist und im Mai 2021 erstmals in dem Blogs erscheint. Diese Reihe erscheint häufig in der Natur, z.B. bei Muscheln, Blütenblättern, Blattformationen u.ä., wurde aber auch häufig in der Renaissance-Architektur verwendet.

Das Fibonacci House der erst 2018 gegründeten Firma Twente Additive Manufacturing Inc. (TAM) mit Niederlassungen in Kanada, Deutschland und Dubai, das derzeit in der Nähe des Hauptsitzes des Unternehmens in Nelson, Kanada, gebaut wird, entsteht mit Hilfe desr M68 Printing Mortar der Firma Laticrete aus Connecticut.

Dabei verwendet die TAM zwei Arten von Druckmörtel: einen langsam trocknenden, der stark genug ist, um die nachfolgenden Schichten darüber zu tragen, bevor er vollständig ausgehärtet ist, und einen anderen mit einem Trocknungsbeschleuniger, der wie ein Kleber auf Betonbasis wirkt und es ermöglicht, überhängende Strukturen zu drucken und Lücken zwischen Teilen zu überbrücken, die außerhalb des Standorts in einer kontrollierten Umgebung gedruckt wurden.

Das Haus wird im Laufe von elf Tagen gedruckt, in 20 Teile geteilt und dann zu dem Standort verschifft, an dem die Teile zusammengebaut werden. Die Wände sind nicht selbst tragend, aber das System umfaßt Stützen und Scherwände, um das Äußere zu halten. Zur Wärmedämmung ist jedes Stück zweilagig. Es ist das erste Gebäude in Originalgröße, welches das Unternehmen errichtet, das bislang nur Treppen, Brücken, Pflanzgefäße, dekorative Fenstergitter u.ä. 3D-gedruckt hat.

Im Juli 2021 folgt die Meldung, daß das inzwischen beendete „weltweit erste vollständig 3D-gedruckte Tiny House“ nun auf Airbnb gelistet ist und gemietet werden kann. Das Haus befindet sich in einem schnell wachsenden und beliebten Gebiet im Projekt Kootenay Lake Village (KLV) am Procter Point in Nelson, British Columbia, und bietet auf einer Grundfläche von nur 35 m2 Platz für zwei Erwachsene und zwei Kinder. Es verfügt über eine Sitzecke, ein Schlafzimmer im Dachboden, eine voll funktionsfähige Küche und ein Badezimmer.

Sakura Place Grafik

Sakura Place
(Grafik)

Ein besonderer Aspekt des Projekts ist, daß alle Einnahmen aus der Vermietung an World Housing gehen, eine Organisation mit Sitz in Vancouver, die bereits über 800 Häuser für Tausende von Menschen in sechs Ländern auf der ganzen Welt gebaut hat. Die Organisation will nun in Nelson eine 3D-gedruckte Community für alleinerziehende Mütter und ihre Kinder in Kanada aufbauen. Das Projekt mit dem Namen Sakura Place ist eine Gruppe von fünf Häusern mit jeweils drei Schlafzimmern, die zusammen die Blätter einer Kirschblüte bilden.

Um diese bezahlbare 3D-gedruckte Community aufzubauen und einen langfristigen Einfluß auf die wachsende Obdachlosenproblematik zu haben, zunächst in Nelson, und dann in anderen Gemeinden in ganz Kanada, arbeiten die TAM und World Housing mit verschiedenen führenden lokalen Unternehmen sowie der University of British Columbia zusammen.

Über die erwähnten Bauprojekte hinaus bietet die TAM neben einem kleinformatigen und einem mobilen 3D-Betondrucker insbesondere zwei Großformatdrucker an: den Berlin-1, einen 3-Achsen-Portaldrucker mit einem Bauvolumen von bis zu 40 x 15 x 9 m, dessen Preis bei 415.000 € beginnt; sowie den Leonardo-2, einen 9-Achsen-Drucker, der aus einem 6-achsigen Roboter besteht, der an einem 3-Achsen-Portaldrucker montiert ist. Dieser Drucker erreicht ein Bauvolumen von bis zu 40 x 15 x 9 + 2,5 m und kostet ab 920.000 €. Als Produkte werden zudem Fassadenelemente und tragende Mauern angeboten, wie auch ein eckiges ‚Rapidly Deployed Building‘ mit den Maßen 3 x 3 x 2,5 m, das 25.000 $ kostet.


Ebenfalls im Mai 2021 ist das Design von schwimmenden Kapseln zu sehen, die Enklaven auf der Weichsel genannt werden und die Idee der Designerin Agnieszka Białek sind, einer Absolventin der Akademie der Schönen Künste in Krakau, Polen. Bei einem Spaziergang entlang des Flusses stellt sich Białek schwimmende Co-Working-Spaces vor, die der dramatischen Zunahme isolierter Homeoffice-Situationen gerecht werden und ohne Fußabdruck auf dem Land existieren könnten.

Die Inspiration für das Konzept kommt von Blasen auf dem Fluß, wo natürlicher Schaum schwebende, geometrische Formen erzeugt, die für das Projekt zu einer größeren Version gewachsen sind. Białek hat sich zudem von Seerosenblättern inspirieren lassen, die auf der Wasseroberfläche schwimmen, aber darunter verankert sind. Mit ihrem Unternehmen Monolight Studio will sie das Konzept nun verwirklichen.

Das innovative Design plaziert die 3D-gedruckten Pods mit ihren weichen, geschwungenen Kanten und einem zeitgemäßen Look weit genug vom Ufer entfernt, so daß ein Kajak erforderlich ist, um die Büros zu erreichen – was effektiv Unterbrechungen derer verhindern soll, die ungestört in Ihren Arbeitsbereich eintauchen möchten. Die Strukturen können innerhalb weniger Tage aus wasserdichten und recycelten bzw. recycelbaren Materialien 3D-gedruckt werden. Konstruktiv werden die Pods dann in beliebiger modularer Bauweise aneinander befestigt und mit dem Flußbett verbunden.

3D-gedruckte Träger

3D-gedruckte Träger


Im selben Monat stellt ein Forschungsteam der Polytechnischen Universität Valencia (UPV) um Prof. José Ramón Albiol eine Alternative zu Stahlbetonträgern vor, die zwar extrem stark sind, aber auch sehr schwer, da sie viel Metall enthalten. Als Ergebnis ist das Bewegen solcher Träger oft schwierig und erfordert eine beträchtliche Energiemenge.

Um diese Probleme anzugehen, haben die Forscher in den letzten drei Jahren 3D-gedruckte Kunststoffblöcke entwickelt und im Oktober 2020 patentiert, die wie Legosteine zu Trägern zusammengefügt und an Ort und Stelle betoniert werden können. Noch wichtiger ist, daß sie bis zu 80 % weniger wiegen als herkömmliche Stahlbeton- oder Metallträger.

Dies ist der Fall, weil die 3D-gedruckten Blöcke den inneren Strukturen menschlicher Knochen nachempfunden sind. Die  geometrische Wabenstruktur verleiht den Blöcken Festigkeit und eine sehr hohe mechanische Belastbarkeit – und hält die Teile gleichzeitig so leicht wie möglich. Die Blöcke werden auch mit recyceltem Kunststoff als Rohstoff gedruckt, um die Nachhaltigkeit des Bauprozesses zu verbessern.

Neben den gewichtssparenden Vorteilen des Drucks der Trägerkomponenten in Kunststoff liegt die Hauptneuheit des Systems in seiner Modularität, wodurch die 3D-gedruckten Blöcke vor Ort zu einem Längsträger zusammengefügt und anschließend mit einer Betonschicht versehen werden können. Dadurch werden keine großen Lastkraftwagen und Kräne mehr benötigt. Zudem macht das System kostspielige Schalungen überflüssig.


Im Juni wird bekannt, daß auch die globale, gemeinnützige Organisation für Wohnen Habitat for Humanity ein 3D-gedrucktes Haus erstellt, von dem sie hofft, daß es zu einer Blaupause für bezahlbaren Wohnraum wird. Das Prototyp befindet sich seit dem Mai in Tempe, Arizona, im Bau, soll bis September fertiggestellt sein und dann einer einkommensschwachen Familie als Zuhause dienen.

Das einstöckige Haus, das über dem Clark Park thront, wird eine Nutzfläche von 161 m2 haben und ein Wohnzimmer, drei Schlafzimmer, zwei Bäder und eine Küche sowie eine Garage enthalten. Es wird in Zusammenarbeit mit der o.e. Firma PERI und mit dem gleichen 3D-Portaldrucker BOD2 hergestellt, der auch in den anderem 3D-gedruckten Wohnprojekten der Firma verwendet wird (s.o.). Außerdem wird es für Solarstrom verkabelt. Das Projekt ist insofern ein Hybrid, da etwa 75 % des Gebäudes 3D-gedruckt und der Rest nach Standardmethoden gebaut wird.

3D-Haus in Chennai

3D-Haus in Chennai

Zu den Partnern des Projekts gehören neben PERI auch die Stadt Tempe, der das Grundstück gehört, die Firmen Lowe’s und COX Communications sowie das in Scottsdale ansässige Büro für Luxuswohnarchitektur Candelaria Design, das das (Nicht-Luxus-)Haus entworfen hat, sowie eine Reihe anderer Organisationen und Einzelpersonen, deren Finanz- und Sachspenden laut Habitat for Humanity Central Arizona wesentlich dazu beigetragen haben, das Projekt zu verwirklichen.

Während es sich bei dem aktuellen Bau um einen Einzelwohnsitz handelt, der nur eine Familie beherbergen wird, besteht das Ziel der Organisation darin, die innovative Technologie zu nutzen, um nachhaltige, skalierbare und kostengünstige Wohnungen in Arizona und anderen Gebieten des Landes bereitzustellen.

Im Zuge der Recherche stellt sich heraus, daß in Zusammenarbeit mit dem Terwilliger Center for Innovation, das zu Habitat for Humanity gehört, bereits im April in der Stadt Chennai das „erste 3D-gedruckte Haus in Indien“ eingeweiht wurde, das in fünf Tagen fertiggestellt worden war, im Gegensatz zu den vier oder fünf Monaten im konventionellen Modus. Das vom Start-Up Tvasta – hervorgegangen aus dem Indian Institute of Technology (IIT) – gebaute Haus, hat eine Fläche von 55 m2 und verfügt über Wohnzimmer, Schlafzimmer, Flur und Küche.

Außerdem erbringt die Recherche die Information, daß Indiens größtes Bauunternehmen Larsen & Toubro Construction (L&T) bereits im Januar das erste 3D-gedruckte zweistöckige Gebäude des Landes fertiggestellt habe. Es befindet sich im Werk Kanchipuram des Unternehmens in der Nähe der Stadt Chennai, verfügt über integrierte vertikale Bewehrungsstäbe und horizontale Gitternetzverteiler, und entspricht allen indischen Bauvorschriften.

Das Gebäude mit einer Grundfläche von 65 m2 wird mit einem COBOD-3D-Betondrucker und aus einer von L&T selbst entwickelten Betonmischung innerhalb von 106 Stunden hergestellt. Die Firma hatte bereits im November 2019 ein ähnlich aussehendes, aber nur einstöckiges Haus 3D-gedruckt.

3D-Schule in Malawi

3D-Schule in Malawi


Im gleichen Monat Juni 2021 wird berichtet, daß ein Unternehmen für bezahlbaren Wohnraum in Afrika namens 14Trees die „weltweit erste 3D-gedruckte Schule“ in Malawi errichtet hat, in der die Schüler Ende Juni ihren ersten Unterricht erhielten. 14Trees ist eine gemeinsame Initiative der britischen CDC-Gruppe und des Bauunternehmens LafargeHolcim und möchte dazu beitragen, die Wohnungsnot in Afrika zu bekämpfen.

Die Schule wird im Stadtteil Salima gebaut, und wie wir bei anderen 3D-gedruckten Bauprojekten gesehen haben, verwendet das Team einen großen Extruder, um die Wände zu formen, bevor die letzten Schliffe wie Fenster, Türen, Dächer und verschiedene Beschläge von Facharbeitern hinzugefügt werden. Die Wände werden in nur 18 Stunden gedruckt, verglichen mit mehreren Tagen, die bei herkömmlichen Methoden erforderlich wären.

Die fertige Schule wird offiziell an eine Dorfgemeinschaft in der Yambe-Zone übertragen. Nun will 14Trees versuchen, auf diesem Konzeptnachweis weitere Projekte in Kenia und Simbabwe aufzubauen.

14Trees begann Ende letzten Jahres mit der Ausweitung seiner Aktivitäten in Afrika und hat Niederlassungen in Malawi und Kenia. Erst kürzlich stellte das Unternehmen auch das erste 3D-gedruckte ‚erschwingliche‘ Haus in Afrika fertig, dessen Wände in 12 Stunden gedruckt wurden. Das Haus, das weniger als 10.000 $ kostet, wurde in Lilongwe, der Hauptstadt von Malawi, gebaut.

Striatus

Striatus


Auch die ETH Zürich erscheint in diesem Monat wieder in der Presse, als in einem Park in Venedig einen von Zaha Hadid Architects entworfenen, mit fünf Aufgängen versehenen Bogensteg namens Striatus eingeweiht wird, der aus Elementen aus dem 3D-Drucker besteht und ohne Stahlarmatur und Mörtel auskommt.

Prof. Philippe Block und das Team seiner Block Research Group an der ETH haben hierfür im Juli des Vorjahres gemeinsam mit der österreichischen Jungfirma Incremental3D (in3D) und dem Zementhersteller Holcim (früher: LafargeHolcim) ein neuartiges ‚Eierschalen‘-Beton-3D-Druckverfahren entwickelt, das den großflächigen Fused Deposition Modelling (FDM) 3D-Roboterdruck mit einem Gießverfahren verschmilzt.

Bei dieser Methode des 3D-Drucks wird ein Spezialbeton nicht wie sonst üblich horizontal aufgetragen, sondern in speziellen Winkeln, um später die Druckkräfte der Fußgängerbrücke auffangen zu können. Mit dieser präzisen Form von Beton-3D-Druck können die Prinzipien des traditionellen Gewölbebaus mit dem digitalen Betonbau verbunden und Material ausschließlich dort eingesetzt werden, wo es strukturell notwendig ist. Damit wird die Herstellung komplexer Betonkonstruktionen mit einer dünnen, einlagigen Schale anstelle einer Schalung möglich.

Die 53 am Computer konstruierten Betonelemente aus dem 3D-Drucker sind hohl, und stabilisiert wird die gesamte Konstruktion allein durch ihre Geometrie, d.h. indem die Kräfte auf die am Boden miteinander verbundenen Fundamente der Brücke übertragen werden – ein Prinzip, das schon die alten Römer kannten.

Gedruckt werden die 217 – 783 kg schweren Betonelemente der 16 x 12 m messenden Brücke innerhalb von 84 Stunden in der Werkshalle von Incremental3D. Vor Ort werden sie dann auf einem temporären Holzgerüst zusammengesetzt. Da die Elemente nicht verklebt sind, läßt sich die Brücke leicht wieder auseinandernehmen und anderswo aufbauen bzw. recyceln. Weil die einzelnen Teile hohl sind und keine Stahlverstärkungen benötigten, braucht der Bau 70 % weniger Material und 90 % weniger Stahl als üblich.

Die erste 3D-gedruckte Betonbrücke ohne Bewehrung ist allerdings nur ein temporäres Ausstellungsstück während der diesjährigen Architekturbiennale. Das nächste Projekt der Block Research Group soll ein 150 m hohes Haus in Brüssel werden, das ohne Armierungseisen im Beton auskommt und dank gewölbter Unterböden viel leichter gebaut werden kann als üblich. Bislang sind darüber aber noch keine Details bekannt.

KnitCandela

KnitCandela

Zu den früheren gemeinsamen Projekten der Block Research Group und dem Büro Zaha Hadid Architects gehört ein fünf Tonnen schwerer, geschwungener Schalenbeton-Pavillon, der im November 2018  mittels einer 3D-Gestrickschalung erstellt wird. Die 4 m hohe Betonkonstruktion namens KnitCandela beinhaltet über 3 km 3D-gedrucktes Garn in vier Streifen von 15 – 26 m, die von einem Stahlseilnetz getragen werden. Das Stricken bietet den entscheidenden Vorteil, daß keine 3D-Formen mehr durch das Zusammenfügen verschiedener Teile erstellt werden müssen. Mit dem richtigen Strickmuster kann auf Knopfdruck eine flexible Schalung für alle Arten von Formen hergestellt werden.

Die neue, an der ETH Zürich entwickelte 3D-Textiltechnologie, um ohne Formen geschwungene Betonstrukturen zu erzeugen, wird KnitCrete-Verfahren genannt. Bei diesem werden mit einer konventionellen Strickmaschine technische Textilschalungen, die mit einem speziellen Zementleim beschichtet sind, zu steifen Schalungen verarbeitet.

Daneben befaßte sich die ETH Zürich damals mit der Herstellung experimenteller Metallfassaden mit 3D-gedruckten Sandformen (Deep Facade), in Zusammenarbeit mit der Schweizer Gießerei Christenguss AG, dem Druckgussspezialisten DGS Druckguss Systeme und dem 3D-Druckerhersteller ExOne. Anschließend erstellte das Team eine 80 m2 große Leichtbetonplatte nach demselben Verfahren. Der als Smart Slab bezeichnete Block soll das weltweit erste umfassende Architekturprojekt gewesen sein, das 3D-Sanddruck für seine Schalung verwendet.

Aktuell, also im Juli 2021, kündigen die ETH-Architekten ein neues Projekt zum Bau eines 23 m hohen Turms aus 3D-gedruckten Säulen an, der zu einer Kulturstätte in der Schweiz werden soll. Ziel des Projekts ist es, den nur 16 Einwohner zählenden Ort Mulegns zu revitalisieren und dabei die Verbindung zwischen Kultur, Forschung und Technologieentwicklung zu stärken.

Der Turm wird vor Ort gebaut und soll mit knapp 30 m eine der höchsten jemals von Robotern gebauten 3D-gedruckten Strukturen werden. Zur Anwendung wird dabei das o.e. neuartige ‚Eierschalen‘-Beton-3D-Druckverfahren kommen. Mit diesem Verfahren hatte das Zürcher Team in Zusammenarbeit mit dem Schweizer Ingenieurbüro Basler & Hofmann bereits 2019 einen ‚Zukunftsbaum‘ errichtet, dessen 3D-gedruckter ‚Stamm‘ sich innerhalb weniger Stunden als selbsttragend erwies.

Das aktuelle Turmprojekt ist die Idee von Giovanni Netzer, Theaterdirektor und Gründer des Origen Kulturfestivals in Riom, und entworfen wird er von Prof. Benjamin Dillenburger und Michael Hansmeyer von der ETH-Forschungsgruppe Digital Building Technologies, gemeinsam mit der Origen Foundation.

Der Turm wird hauptsächlich aus organisch geformten 3D-gedruckten weißen Betonsäulen bestehen, die vier, jeweils 4 – 8 m hohe Etagen tragen. An der Spitze wird es eine Kuppel mit einer Bühne geben, auf der Theaterstücke, Tanzaufführungen und Konzerte stattfinden sollen. Der Bau soll im April 2022 vor Ort beginnen. Der eingesetzte 3D-Drucker kann in nur zwei Stunden eine 3 m hohe Säule drucken, und jedes Element wird so konstruiert, daß der Turm demontiert und an anderer Stelle wieder aufgebaut werden kann.

Die ETH hatte übrigens schon im Juli 2019 mehrere aufwendige, 2,7 m hohe Betonsäulen für das Origen Festival per 3D-Druck hergestellt, um den Tanzvorführungen den passenden Rahmen bieten. Die Installation trägt den Namen Concrete Choreography.


Von Interesse ist auch eine Meldung, die ebenfalls im Juni 2021 in der Fachpresse erscheint. Demnach haben Forscher der University of Sri Jayewardenepura in Sri Lanka und der Northumbria University in Großbritannien den optimalen Parametersatz für den 3D-Druck von flammhemmenden Betonwänden identifiziert. Mithilfe der parametrischen Finite-Elemente-Analyse gelingt es den Ingenieuren, den Feuerwiderstand von 3D-gedruckten Betonwänden numerisch zu modellieren.

Die Arbeit basiert auf den Ergebnissen von Tests an der Stellenbosch University im letzten Jahr, wo ein Forscherteam acht verschiedene rechteckige Proben auf 300°C erhitzt und festgestellt hat, daß die Porosität von additiv hergestelltem Beton ihn weniger anfällig für Bruch macht als herkömmlich gegossene Äquivalente.

Da die Wanddichte der Schlüssel zur Abwehr von Brandausbrüchen ist, schlägt das Team letztlich vor, als Isolierung Steinwolle zu verwenden, um die nächste Generation von bewohnbaren 3D-gedruckten Häusern so feuerfest wie möglich zu machen.


Im August 2021 eröffnet die Regierung von Dubai das „weltweit erste 3D-gedrucktes Labor“, das selbst zu einem Forschungs- und Entwicklungszentrum für additive Fertigung werden soll. Vor Ort, 50 km südlich von Dubai im Solarpark des Emirats gedruckt, wird das 168 m2 große Labor R&Drone Laboratory der Dubai Electricity and Water Authority (DEWA) für die Entwicklung und den Bau von Rovern und Drohnen sowie für den 3D-Druck von Ersatzteilen und Prototypen dienen.

Das 3D-Druck-Bauprojekt der DEWA ist seit dem Herbst 2016 in Arbeit, wird aber erst jetzt abgeschlossen und für den Betrieb freigegeben. Der für den Bau des Labors verantwortliche Auftragnehmer ist die o.g. Firma CyBe Construction, die bereits im Juni 2017 bekannt gibt, daß der im Schutze eines Zeltes erfolgte 3D-Druck des Gebäudes abgeschlossen sei. Die Wände und Brüstungen des R&Drone Laboratory bestehen aus 27 separaten 3D-gedruckten Elementen, deren Druck insgesamt 46 Stunden dauert.

Das Engineering und die wesentlich zeitaufwendigere Endkonstruktion werden von Wanders Architects, Witteveen + Bos und CONVRGNT Value Engineering durchgeführt, die den Bauauftrag für das Labor erhalten hatten. Dieses besteht eigentlich aus vier Unterlabors: dem Elektroniklabor, dem Softwarelabor, dem mechanischen Labor und dem Prototypenlabor. Es wird auch eine außen liegende, 400 m2 große Startfläche für die Flugtests von Drohnen geben.



Zur Abrundung dieser Übersicht soll noch besonderes Augenmerk auf den Einsatz von 3D-Baudruckern auf anderen Himmelskörpern wie Mond und Mars gerichtet werden. Auch wenn dies in der Praxis noch nicht geschehen ist, so sind die Vorbereitungen dafür schon längst im Gange.

Regolith-Backstein

Regolith-Backstein


So wird im Mai 2017 berichtet, daß die Europäische Weltraumorganisation (ESA) in den 3D-Druck mit außerirdischen Materialien einsteigt. Um zu zeigen, wie Mondforscher eines Tages Mondkolonien konstruieren könnten, wird Material mit ähnlicher Zusammensetzung und Korngröße wie das Regolith – der lockeren Schotterschicht, die die Mondoberfläche bedeckt –  zusammen mit konzentriertem Sonnenlicht benutzt, um Ziegelsteine zu drucken. Zukünftige Reisende sowohl zum Mond als auch zum Mars könnten demnach Materialien aus der Region verwenden, um ihre Lebensräume zu bauen.

Das zweijährige Projekt namens RegoLight startete im November 2015 im Auftrag der ESA und wird als Horizon2020-Projekt mit EU-Mitteln unterstützt. Es zielt darauf ab, eine funktionale 3D-Drucktechnologie zu entwickeln, mit der sich Mond-Regolith formen läßt.

Vorausgegangen war eine Zusammenarbeit im Jahr 2013 mit dem Londoner Architekturbüro Foster+Partners um zu untersuchen, ob die 3D-Druckverfahren für den Bau von Mond-Habitaten genutzt werden könnten. Mit einem D-Shape-Drucker und einer mobilen Druckdüsenanordnung wurde damals zu Demonstrationszwecken ein 1,5 Tonnen schwerer Baustein aus simuliertem Mondregolith gedruckt, indem eine Bindemittellösung auf ein sandähnliches Baumaterial gesprüht wurde. Dieser Block wird auch genutzt, um seine Strahlungsabschirmung zu messen.

Zur Herstellung wird das simulierte Mondmaterial mit Magnesiumoxid vermischt, wodurch es zu ‚Papier‘ wird mit dem gedruckt werden kann. Dann wird als strukturelle ‚Tinte‘ ein bindendes Salz verwendet, welches das Material in einen steinähnlichen Feststoff umwandelt. Der Drucker baut dabei mit einer Geschwindigkeit von etwa 2 m pro Stunde.

Um die 3D-Drucktechniken an eine Mondmission anzupassen und die Prozeßqualitätskontrolle sicherzustellen, arbeitet das italienische Weltraumforschungsunternehmen Alta SpA mit der in Pisa ansässigen Ingenieuruniversität Scuola Superiore Sant’Anna zusammen.

Regolith-Block

Regolith-Block

Zudem treffensich im Oktober 2014 im ESTEC-Technikum der ESA in Noordwijk, Niederlande, mehr als 350 Experten zu dem zweitägigen Workshop Additive Manufacturing for Space Applications, diskutierten das Potential des 3D-Drucks, um die Arbeitsweise der Raumfahrtindustrie zu verändern, und beginnen mit der Vorbereitung gemeinsamer Standards für seine Verwendung. Die additive Fertigungstechnologie (AM) in Mikrogravitation wird bereits seit diesem Jahr mit einem ersten Polymer-3D-Drucker an Bord der Internationalen Raumstation (ISS) eingesetzt.

Im Zuge der aktuellen Entwicklung wird 2017 der Solarofen des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) genutzt, um eine Mond-3D-Druckmethode untersuchen, die konzentriertes Sonnenlicht nutzt, um Regolith zu schmelzen, anstatt mit einer bindenden Flüssigkeit. Bei Temperaturen von knapp 1.100°C werden dabei aus aufeinanderfolgenden Schichten von 0,1 mm dickem Mondstaub bis zu 20 x 10 cm große und 2,8 cm dicke Ziegel gebacken, was allerdings fünf Stunden dauert. Die Steine ​​werden nun mechanischen Tests unterzogen, da sie noch nicht zufriedenstellend sind.

Ebenso ist geplant, die bisherigen Tests, die unter normalen atmosphärischen Bedingungen stattfanden, auch unter Vakuum zu wiederholen. Das langfristige Ziel ist es, aus dem Regolith auf dem Mond Schicht für Schicht verzahnbare Bauelemente zu backen, indem die Energie der Sonne über eine Linse oder ein Spiegelsystem gebündelt und auf den Baustoff gerichtet wird.

An dem internationalen und interdisziplinären Projekt sind neben dem DLR-Institut für Materialphysik im Weltraum und dem DLR-Institut für Solarforschung in Deutschland auch das belgische Unternehmen Space Applications Services, die LIQUIFER Systems Group und das Ingenieurbüro Bollinger, Grohmann, Schneider aus Österreich sowie die Firma COMEX aus Frankreich beteiligt.

In diesem Zusammenhang ist anzumerken, daß fast zeitgleich Ingenieure der University of California, San Diego, mit simuliertem Mars-Material bereits superstarke Ziegel herstellen – während Forscher der Northwestern University simulierten Mond- und Mars-Staub erfolgreich zum 3D-Druck von Bausteinen und Werkzeugen verwenden.

Im April 2018 veröffentlicht die ESA einen Bericht über den bisherigen Stand (‚Solar 3D printing of lunar regolith‘). Demnach führen die Versuche mit tatsächlich konzentriertem Sonnenlicht aufgrund der starken Flußdichteschwankungen durch atmosphärische Veränderungen zu einer inhomogenen Sinterung einzelner Schichten der Mondregolith-Simulanz.

Tests mit Xenon-Licht belegen das Konzept hingegen mit der erfolgreichen Herstellung des ersten solar 3D-gedruckten Ziegels, auch wenn die Druckfestigkeit der gesinterten Steine für eine direkte Mondanwendung wohl noch zu niedrig ist. Die Verwendung von künstlichem Licht ermöglicht über mehrere Stunden hinweg gleichmäßige Beleuchtungsbedingungen, um den Mond-Regolith Schicht für Schicht zu sintern. Die beobachtete hohe Porosität und schwache Schicht-zu-Schicht-Verbindung läßt sich verbessern, indem der Wärmegradient und die Abkühlzeit zwischen aufeinanderfolgenden Schichten verringert werden.

Eine weitere Veröffentlichung erscheint im Januar 2019. Die URBAN-Studie berücksichtigt alle Aspekte des Baus und Betriebs einer Mondbasis und untersucht genau, wie der 3D-Druck realistisch eingesetzt werden könnte, um ein Leben auf dem Mond zu ermöglichen und welche Materialien in jeder Phase der Mondbasis benötigt werden, um sie zu bauen, zu betreiben, zu warten und darin zu forschen.

URBAN – angeführt von Deutschlands OHB System AG und unter Beteiligung von Sonaca Space, der Liquifier System Group und COMEX – studiert alle verfügbaren Druckmaterialien und -techniken, um eine Datenbank zu erstellen, mit der sich der jeweils effizienteste Weg zur Herstellung bestimmter Gegenstände und Materialien unter Verwendung der verfügbaren Ressourcen auf dem Mond finden läßt.

Der 3D-Druck auf dem Mond ist allerdings komplizierter als auf der Erde. Der Mangel an Atmosphäre, das Vorhandensein von Mondstaub, Mondbeben, Mikrometeoriten, extreme Temperaturen und vor allem die reduzierte Schwerkraft bilden alles Probleme für den 3D-Druck. Immerhin werden vier besonders vielversprechende 3D-Druckverfahren identifiziert, mit denen sich die notwendigen Elemente für den Aufbau einer dauerhaften Mondbasis herstellen lassen.

Diese sind das oben besprochene Solarsintern, das Sonnenlicht konzentriert, um Mondboden in eine Vielzahl von Objekten zu formen, hauptsächlich für die Infrastruktur; die Elektronenstrahl-Additive Fertigung im Vakuum zur Herstellung großer Metallteile; die Fused-Filament-Fertigung, die bereits unter Bedingungen mit geringer Schwerkraft getestet wurde; sowie die Keramikherstellung auf Lithographiebasis, die hierzu Monderde verwendet.

Im Juli 2019 kommt das Thema wieder in die Presse, als die ESA einen Bericht über eine gemeinsam mit der Raumfahrtfirma Azimut Space (ehemals: Sonaca Space) durchgeführte Untersuchung veröffentlicht, bei der es darum geht, aus Mondregolith Wärmespeicherbausteine herzustellen, die auch Strom liefern können.

Im Weltraum kommt Energie normalerweise über Solarzellen, die fast augenblicklich Strom liefern, wenn die Sonne darauf scheint. Da die Mondnacht jedoch bis zu 16 Tage Dunkelheit mit Temperaturen von -173°C bedeutet, ist es für eine langfristige Besiedlung unerläßlich eine Energielösung zu finden, die das Sonnenlicht während der langen Mondtage sammelt und für die Nutzung in der Nacht speichert.

Regolith-Ziegelstein

Regolith-Ziegelstein

Das Team zerkleinert Erdgestein mit vergleichbaren Eigenschaften wie Mondgestein zu einem Pulver, bis die Partikel der Größe des Mondregoliths entsprechen. Anschließend wird dieses Pulver zu einem 14 cm langen Ziegelstein verarbeitet. Leider wird nicht gesagt, mit welcher Methode. Dann pumpt das Team Energie in das imitierte Rgolith, um zu sehen, wie gut es Wärme speichern kann. Es wird auch an eine Wärmekraftmaschine angeschlossen, um aus der darin gespeicherten Energie Strom zu erzeugen.

Bei den Versuchen zeigt sich, daß Regolith-Steine tatsächlich eine Möglichkeit ​​bieten, tagsüber Sonnenenergie zu speichern, damit nachts Strom produziert werden kann. Die gespeicherte Wärme kann aber auch direkt abgegeben werden, um z.B. die Roboterausrüstung warm genug zu halten, damit diese auch in der Kälte der Dunkelheit funktioniert. Als nächstes soll der Prozeß effizienter gestaltet und skaliert werden, um weiter zu untersuchen, ob Regolith-Steine ​​in der Lage sind die erforderlichen Energiemengen zu liefern.

Einen weiteren Aspekt behandelt ein internationales Wissenschaftlerteam, welches erforscht, ob menschlicher Urin, oder genauer gesagt, der darin enthaltene Harnstoff, dazu verwendet werden könnte, Mondbaumaterialien verarbeitungsfähiger zu machen. Das Team untersucht, ob der Harnstoff als Weichmacher in einer für den Einsatz auf der Mondoberfläche geeigneten 3D-Druckmischung genutzt werden kann. Der Harnstoff ermöglicht das Aufbrechen von Wasserstoffbrücken, wodurch sich die Viskosität der Mischung verringert, deren Teil er ist.

Die entsprechende Studie, die im November 2019 erscheint, wird von Forschern der ESA, der Technischen Universität Cartagena in Spanien, der Universität Padua in Italien sowie des Østfold University College in Norwegen verfaßt. Sie ist im Netz einsehbar (‚Utilization of urea as an accessible superplasticizer on the moon for lunar geopolymer mixtures‘).

Im Rahmen der Studie drucken die Forscher in 3D eine Reihe von ‚Schlamm‘-Röhren aus Mischungen, die ein von der ESA hergestelltes Regolith-ähnliches Material enthalten, dem Harnstoff und andere Weichmacher zugesetzt wurden. Es zeigte sich, daß Röhren, die mit Harnstoff als Weichmacher gedruckt werden, zwar äußerst unansehnlich sind, dafür aber hohe Belastungen aushalten und auch ihre Stabilität weitgehend beibehalten.

Nach dem Erhitzen auf 80°C wird die Widerstandsfähigkeit der Röhre getestet, wobei festgestellt wird, daß sie sich nach acht Frost/Tau-Zyklen – ähnlich den Temperaturschwankungen, wie sie auf der Mondoberfläche auftreten – sogar noch verbessert. Um das ideale Material für den Bau der ersten Mondlebensräume zu finden, sind allerdings noch weitere Studien erforderlich.

Im Januar 2020 folgt der Bericht über einen weiteren Nutzen des Regolith: als Lieferant von Sauerstoff. Dies hat zwar nicht direkt mit dem 3D-Druck zu tun, ist aber signifikant genug, um hier erwähnt zu werden. Schließlich ist Atemluft die erste und wichtigste Ressource, die der Mensch beim Verlassen der Erde benötigt. Außerdem ist Sauerstoff auch bei der lokalen Produktion von Raketentreibstoff von großem Nutzen.

Von der Mondoberfläche geholte Proben bestätigen, daß der Mondregolith zu 40 – 45 Gewichtsprozent aus Sauerstoff besteht, dem am häufigsten vorkommenden Element. Dieser Sauerstoff ist jedoch chemisch als Oxide in Form von Mineralien oder Glas gebunden und steht somit nicht für den unmittelbaren Gebrauch zur Verfügung.

Im Labor für Materialien und elektrische Komponenten des ESTEC wird daher der Prototyp einer Sauerstoffanlage errichtet, die das Gas aus dem Regolith-Imitat gewinnt. Die Sauerstoffextraktion erfolgt mit einer Methode namens Salzschmelze-Elektrolyse, bei welcher das Regolith in einen Metallkorb mit geschmolzenem Calciumchloridsalz als Elektrolyt gegeben und auf 950°C erhitzt wird.

Bei dieser Temperatur bleibt der Regolith fest. Wenn jedoch ein Strom hindurch geleitet wird, wird ihm der Sauerstoff entzogen und wandert über das Salz, um an einer Anode gesammelt zu werden. Als Bonus wandelt dieser Prozeß den Regolith in brauchbare Metallegierungen um. Die Methode der Salzschmelze-Elektrolyse ist von der britischen Firma Metalysis eigentlich für die kommerzielle Metall- und Legierungsproduktion entwickelt worden.

Über ähnliche Entwicklungen im Zuge der 3D-Printed Habitat Challenge der NASA berichte ich weiter unten.


Das Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) und das Institut für Raumfahrtsysteme (IRAS) der Technischen Universität Braunschweig arbeiten mit Unterstützung der Volkswagen Stiftung ab Mitte 2018 an dem Projekt MOONRISE, das das Ziel hat, mit einem Laser Mondstaub zu schmelzen, um ihn als Baumaterial nutzbar zu machen. Dies gilt als der erste Schritt, um die Additive Fertigung, also den 3D-Druck, auf den Mond zu bringen. An dem zugrundeliegendem Verfahren arbeiten LZH und IRAS bereits seit 2015 gemeinsam.

Die Grundlage bildet ein klassisches 3D-Druck-Verfahren namens Selektives Laserschmelzen (Laser Powder Bed Fusion), bei dem Metallpulver auf eine Grundplatte aufgetragen wird. Mit dem Laser wird das Metall an den gewünschten Stellen geschmolzen. Anschließend kühlt es ab und erstarrt. Dann wird die Grundplatte ein Stück angesenkt und neues Pulver aufgetragen, wodurch Schicht für Schicht die gewünschte Form aufgebaut werden kann.

Statt Metall soll auf dem Mond der dortige feine Regolith zum Einsatz kommen. Damit gilt es schrittweise komplexere Strukturen herzustellen, angefangen von Landeplätzen für Mondsonden oder Straßen für Mondmobile – bis hin zu Fundamenten und Bauelementen für eine Mondbasis.

Die Forscher wollen die Technologie schon 2021 direkt auf dem Mond erproben. Dabei wird der 150 W starke Laser des 3 kg schweren Geräts von der Größe einer Saftpackung, das in einen Tunnel an der Unterseite des Rovers eingebaut ist, ein paar Dutzend Mal an verschiedenen Stellen in den Mondstaub schießen, jeweils etwa 5 – 10 Sekunden lang. Die entstehenden Kügelchen, die ein paar Milli- bis Zentimeter groß sind, wären der Beleg dafür, daß das Verfahren funktioniert. Deshalb wird das gezielte Aufschmelzen mit hochauflösenden Kameras überwacht und dokumentiert.

Der Transport zum Mond will das Berliner Raumfahrt Start-Up PTScientists (zuvor: Planetary Transportation Systems GmbH, PTS) übernehmen, welches unbemannte Mondlandegeräte entwickelt und damit auch mehrere Mondlandungen anstrebt. Da das Unternehmen jedoch im Juli 2019 Insolvenz anmelden muß, ist nicht absehbar, ob die Mission überhaupt ausgeführt werden kann.

Allerdings gibt es bald darauf einen neuen Investor, den Berliner Logistikdienstleister Zeitfracht, der den alten Namen reanimiert und die Firma erfolgreich saniert – und Anfang 2020 übernimmt das Management Team von PTS im Rahmen eines Management-Buy-outs wieder die komplette Verantwortung für das Unternehmen. Da auch die Entwicklung der Lander fortgesetzt werden soll, könnt es dennoch klappen, allerdings zu einem weit späteren Termin.

MOONRISE-Versuch

MOONRISE-Versuch

Im Juli berichtet die Fachpresse jedenfalls, daß synthetisch hergestellte Materialproben, die an mögliche Landeplätze angepaßt wurden, mit dem vom LZH entwickelten Lasersystem sowohl bei Mond- als auch unter Mikrogravitation erfolgreich bearbeitet worden sind. Das Aufschmelzen des Regoliths ist das erste wissenschaftliche Experiment überhaupt im neuen Einstein-Elevator der Leibniz Universität Hannover (LUH) – einer Forschungsplattform für erdgebundene Experimente unter Schwerelosigkeit.

Um im Elevator genutzt werden zu können, wird das Lasersystem und eine Vakuumkammer in der Gondel des Elevators an einem Experimentträger befestigt, der das Lasersystem mit Strom versorgt und ansteuert. Im Flug schmilzt der Laser eine kleine Menge Regolith auf, dabei formt sich eine Kugel und erkaltet noch vor der Landung in der Versuchskammer.

Der jüngste Bericht stammt vom Januar 2021 und besagt, daß es dem Wissenschaftler-Team zum Abschluß des zweijährigen Projekts gelungen ist, bei Laborversuchen mit dem MOONRISE-Laser, der an einem Robotorarm des IRAS-Rovers MIRA3D befestigt ist, sowohl Regolith unter Mondgravitation aufzuschmelzen als auch zusammenhängende Bahnen aufzuschmelzen bzw. zu drucken. Der in den zwei Jahren entwickelte Laserkopf hält zudem den nötigen Temperatur-, Vakuum- und Vibrationstest stand.

In Verbindung damit ist eine Meldung aus dem Vorjahr von Interesse, bei der es um Experimente an der australischen RMIT University mit einer Art des 3D-Drucks geht, die als Directed Energy Deposition (DED) bekannt ist und eine Ähnlichkeit mit dem o.e. Selektiven Laserschmelzen hat. Die Forscher unter der Leitung von Carmelo Todaro drucken dabei Musterobjekte aus einer Titanlegierung, die für Flugzeugteile und biomechanische Implantate verwendet wird, sowie einer Superlegierung auf Nickelbasis, die häufig in der Schiffahrts- und Erdölindustrie Anwendung findet.

In beiden Fällen ist die Abscheidungsoberfläche tatsächlich eine Sonotrode, d.h. ein Werkzeug, das Ultraschallschwingungen erzeugt. Diese Schwingungen werden angewendet, während das Metall erstarrt, was die mikroskopische Kristallstruktur so erschüttert, daß sie sich zu einer engeren Konfiguration formt. Das Ergebnis ist, daß die so hergestellten Objekte eine 12 %-ige Erhöhung der Zugfestigkeit und Streckgrenze im Vergleich zu identischen Proben aufweisen, die ohne Ultraschall gedruckt werden.

Zudem ist es durch das Ein- und Ausschalten der Sonotrode während des Druckprozesses möglich, Einzelstücke mit unterschiedlichen Mikrostrukturen in unterschiedlichen Bereichen herzustellen. Es wird angenommen, daß die ultraschallverstärkte 3D-Drucktechnologie nach ihrer Weiterentwicklung auch zur Erhöhung der Festigkeit anderer Materialien verwendet werden könnte.


Im April 2019 nähert sich eine weitere Phase des oben bereits erwähnten vierjährigen NASA-Wettbewerbs 3D-Printed Habitat Challenge ihrem Ende. Der Wettbewerb wird im Rahmen eine Partnerschaft mit dem Centennial Challenges Program der NASA und der Bradley University in Peoria, Illinois, durchgeführt. Die Universität hat sich hierzu mit den Sponsoren Caterpillar, Bechtel und Brick & Mortar Ventures zusammengetan.

Seit dem Start im Mai 2015 haben konkurrierende Teams Renderings potentieller Unterstände und deren strukturellen Komponenten erstellt und auch damit begonnen, an virtuellen Modellen ihrer Wohnorte für den Mond, den Mars oder darüber hinaus zu arbeiten.

Gesamtsieger der ersten Runde mit 165 Einreichungen ist das vom Team Space Exploration Architecture und dem Clouds Architecture Office entworfene Konzept Ice House für den Standort Alba Mons auf der Nordhalbkugel des Mars, wo vermutlich reichlich Eis unter der Oberfläche vorhanden ist. Es basiert aber auf einer aufblasbaren ETFE-Membran und setzt keinen 3D-Druck ein. Ein weiteres Konzept, nämlich halbautonome Roboter zu verwenden, um einen Unterschlupf aus Regolith zu bauen, beschert dem Team Gamma vom Architekturbüro Foster + Partners den zweiten Platz.

Träger von MoonX Construction

Träger von
MoonX Construction

Bei der zweiten Runde, die 2017 abgeschlossen wird, liegt das Hauptaugenmerk darauf, Wege zum 3D-Druck von Wohnstrukturen unter Verwendung von recycelbaren Materialien und simuliertem Marsboden zu finden. Die 60 verbliebenen Teams müssen hierzu einen Balken für Biegetests in 3D drucken. Die Bewertungen werden basierend auf der Materialzusammensetzung und der maximalen Belastung des Trägers beim Versagen berechnet. Auf den 1. Platz kommt MoonX Construction aus Seoul, Südkorea, hinter dem ein internationales Team steht.

Die dritte und letzte Runde konzentriert sich auf automatisierte 3D-Drucksysteme zum autonomen Bau eines vollständigen Lebensraums und ist mit insgesamt 1,5 Mio. € dotiert. Diesmal müssen die Teams – es sind nur noch drei im Rennen – zunächst realistische 3D-Modelle erstellen, die die zu bauenden Lebensräume auf dem Mars demonstrieren, bevor im letzten Schritt die Produktion eines autonom 3D-gedruckten Modells im Maßstab 1:3 anliegt.

Die Regeln schreiben vor, daß die Lebensräume über 93 m2 Wohnfläche nebst Lebenserhaltung, Rohrleitungen usw. verfügen müssen, um vier Astronauten zwölf Monate lang zu versorgen. Die in dieser Phase des Wettbewerbs entwickelten digitalen Darstellungen werden mittels Softwaretools des Building Information Modeling (BIM) präsentiert.

Gewinner der ersten Phase dieser Runde ist das Team Zopherus aus Rogers, Arkansas, das eine spinnenartige Kapsel präsentiert, bei der die bewohnbaren Strukturen in einer Kammer 3D-gedruckt werden. Wenn sie fertig sind, heben die Beine die Kapsel an, um die bewohnbare Struktur freizulegen und dann zum nächsten Ort zu gehen, um eine andere Struktur zu bauen.

Die nächste Phase ist die bedeutendste, da die Designer sich daran machen, ihre genialen Ideen in die reale Welt zu bringen. Die 3D-Printed Habitat Challenge endet nun im Mai 2019 mit einem Wettbewerb in Peoria, Illinois, bei dem unmittelbar vor Ort maßstabsgetreue Modelle gedruckt werden. In dieser letzten Phase sind insgesamt 2 Mio. $ Preisgelder zu gewinnen.

Den ersten Platz in Phase 3: Level 2 gewinnt das Team SEArch+/Apis Cor aus New York. Für dieses Level wird ein Fundament gedruckt und verschiedenen Tests unterzogen, einschließlich des Abwurfs einer Kugel darauf, um einen Meteoriteneinschlag zu simulieren. Das Team belegt auch den ersten Platz im Level 4 ‚software modeling’ mit der einzigartigen Form eines Lebensraums, der eine kontinuierliche Verstärkung der Struktur erlaubt.

Gesamtgewinner des Wettbewerbs wird schließlich das 3D-gedruckte Design MARSHA des 2017 gegründeten und in New York ansässigen Architekturbüros AI Space Factory, das dafür ein Preisgeld von 500.000 $ kassiert. Das Konzept sieht nicht nur ein nachhaltiges und widerstandsfähiges Design vor, das alle Anforderungen einer Mars-Mission erfüllen kann, sondern weist auch nach Stockwerken unterteilte, moderne und helle Innenräume mit Innengärten auf.

MARSHA Modell

MARSHA
(Modell)

MARSHA nutzt ein einzigartiges Doppelschalen-Schema, um die bewohnbaren Räume von den strukturellen Belastungen zu isolieren, die durch die extremen Temperaturschwankungen des Mars verursacht werden. Die vertikal ausgerichtete, eiähnliche Form wiederum behält eine kleine Grundfläche bei und minimiert die mechanischen Belastungen an der Basis und an der Oberseite. Die hohe, schmale Struktur reduziert zudem die Notwendigkeit, daß eine Baumaschine kontinuierlich auf der Oberfläche bewegt wird, was das Risiko reduziert und die Geschwindigkeit und Genauigkeit erhöht.

Der auf 4,5 m Höhe verkleinerte Prototyp des Bauwerks im Maßstab 1:3 wird aus einen recycelbaren Polymerverbundstoff gedruckt, der beim Komprimieren zwei- bis dreimal stärker ist als Beton. Die innovative Mischung besteht aus Basaltfasern, die aus Marsgestein gewonnen werden, sowie einem erneuerbarem, pflanzlichem Biokunststoff, der aus auf dem Mars angebauten Pflanzen verarbeitet wird.

Bei den Test auf Haltbarkeit, Leckage und Festigkeit zeigt sich, daß die bei der Konstruktion verwendeten Materialien nicht nur den Druck-, Rauch- und Aufpralltests der NASA standhalten, sondern die Struktur erweist sich sogar als stärker und haltbarer als ihre Betonkonkurrenten.

Im September 2019 startet die AI Space Factory das Projekt TERA (kurz für Terrestrisch-Analog), um die Konstruktionstechnologien für den Mars wieder auf die Erde zu bringen. Hierzu sollen die Materialien von MARSHA recycelt und für den 3D-Druck von TERA wiederverwendet werden, dem „ersten Öko-Lebensraum der Weltraumtechnologie auf der Erde“. Die Fertigstellung der umweltfreundlichen 3D-gedruckten, zweistöckigen Hütte, die vollständig aus nachhaltigen Materialien besteht, ist für 2020 geplant – um dann für 175 $ pro Nacht vermietet zu werden.

Zur Finanzierung wird auf Indiegogo eine Crowdfunding-Kampagne initiiert, die ihr Ziel von 30.000 $ schnell erreicht: Bis Ende Oktober werden von 311 Unterstützern 71.941 $ gesammelt. Im November postet das Team erste Fotos vom Beginn der Arbeiten auf der Baustelle im Bundesstaat New York mit Blick auf den Hudson River, doch zuerst gibt es Probleme mit dem kaltem Wetter, und dann mit den Covid-Restriktionen, so daß der Druck vorübergehend eingestellt werden muß. Weitere Neuigkeiten gibt es bislang nicht.


An dem oben kurz erwähnten Project Olympus sind neben der BIG auch die ICON, das Büro SEArch+ LLC (Space Exploration Architecture) und das Marshall Space Center der NASA beteiligt. Das Projekt beinhaltet die Entwicklung von 3D-gedruckten Mondhabitaten, um die menschliche Erforschung des Erdsatelliten zu unterstützen. Es ähnelt damit den weiter oben beschriebenen Bemühungen der ESA und startet im Oktober 2020 mit einer Finanzierung durch die NASA.

ICONs Rolle dabei ist es, mit simuliertem Mondboden verschiedene Verarbeitungs- und Drucktechnologien zu testen. Letztlich geht es darum, Konstruktionen mit robusten Strukturen zu schaffen, die einen besseren Wärme-, Strahlungs- und Mikrometeoritenschutz bieten als Metall- oder aufblasbare Lebensräume. Die neue Partnerschaft baut auf der Technologie auf, die ICON bereits 2018 während der 3D Printed Habitat Challenge der NASA demonstriert hatte (s.o.).

Project Olympus Versuch

Project Olympus
(Versuch)

Im August 2021 wird berichtet, daß die ICON zwischenzeitlich im Johnson Space Center der NASA einen kompletten simulierten Lebensraum für den Mars 3D-gedruckt habe. Das Habitat Mars Dune Alpha wird von der BIG für die kommende CHAPEA-Missionssimulation entworfen (= Crew Health and Performance Exploration Analog). Mit dem Vulcan-Bausystem der nächsten Generation von ICON wird eine 156,5 m2 große Struktur fertiggestellt, die einen realistischen Mars-Lebensraum simuliert, um lang andauernde Weltraummissionen zu unterstützen.

CHAPEA ist eine Sequenz von drei einjährigen Marsoberflächen-Missionssimulationen, die wertvolle Erkenntnisse und Informationen liefern sollen, um das Weltraum-Ernährungssystem der NASA sowie die körperlichen und verhaltensbezogenen Gesundheits- und Leistungsergebnisse der Astronauten zu bewerten. Laut ICON ist das simulierte Habitat der original getreueste simulierte Lebensraum, der jemals von Menschen gebaut wurde. Das Leben in Mars Dune Alpha wird der erwarteten Erfahrung derjenigen ähneln, die in einem zukünftigen Lebensraum auf der Marsoberfläche leben werden.

Das Layout der innovativen Struktur berücksichtigt auch die Privatsphäre. An einem Ende des Habitats befinden sich vier private Mannschaftsquartiere, während am gegenüberliegenden Ende die Arbeitsplätze, medizinische Stationen und Lebensmittelanbaustationen liegen. Dazwischen finden sich gemeinschaftliche Wohnräume.

Die NASA nimmt bereits Bewerbungen von potentiellen Teilnehmern entgegen, die ein Jahr lang darin leben möchten. Ab dem Folgejahr soll Mars Dune Alpha mehrfach vier Menschen beherbergen und ihnen Herausforderungen wie begrenzte Ressourcen, Ausrüstungsausfälle und Kommunikationsverzögerungen bieten. Die erste analoge Mission wird im Herbst 2022 starten, die Mission 2 ist für 2024 geplant, während die Mission 3 im Jahr 2025 stattfinden wird. Die aus dieser Habitatforschung gewonnenen Daten werden dann direkt in die Standards der NASA für langfristige Explorationsmissionen einfließen.


Die Technische Universität Delft (TU Delft) und die ESA tun sich wiederum mit der 3D-Druckerfirma Vertico zusammen, um mit deren Spitzentechnologie zukünftige unterirdische Lebensräume auf dem Mars zu drucken. Bei dem Projekt unter der Leitung von Prof. Henriette Bier wird vorgeschlagen, den Boden auszuheben, um strahlungssichere und wärmegedämmte unterirdische Lebensräume zu schaffen.

Das ausgehobene Material wird dann mit flüssigem Schwefel vermischt, um Beton herzustellen, der 3D-gedruckt wird, um in den ausgehobenen Bereichen bewohnbare Strukturen zu bauen.


Die Architekten des intentionalen Büros Skidmore, Owings & Merrill LLP (SOM) stellen auf der 17. Internationalen Biennale von Venedig im Mai 2021 das Tischmodell eines kompletten Siedlungskonzepts für den menschlichen Lebensraum auf der Mondoberfläche vor. Das in Zusammenarbeit mit der ESA und dem Massachusetts Institute of Technology (MIT) entworfene Moon Village besteht aus einer Gruppe miteinander verbundener Forschungsstationen und zugehörigen Solarstromnetzen, wobei auch der Strahlenschutz, die Druckunterschiede und die Versorgung mit Atemluft berücksichtigt werden. Der 3D-Druck wird bei diesem Konzept allerdings nicht erwähnt.

 

Eine besondere Form der solaren Architektur bilden die Solarsiedlungen, die als nächstes vorgestellt werden. Anschließend folgen die Beschreibungen von Heliostaten (als Tageslicht-Systeme) sowie verschiedener weiterer solarer Nutzungsformen.

 

Weiter mit den Solarsiedlungen ...