Thema und Gesamtziele des Vorhabens

Kein anderer Industriezweig verbraucht mehr Rohstoffe und Energie oder produziert mehr Abfälle als das Bauwesen. Beton ist in diesem Kontext zu einem der wichtigsten Baustoffe geworden, zu dem oftmals fast keine Alternative besteht. In Deutschland werden heute knapp 30 Mio. Tonnen Zement hergestellt; daraus resultieren etwa 180 Mio. m³ Beton. Weltweit werden etwa 2,8 Mrd. Tonnen Zement produziert; daraus lassen sich etwa 9,3 Mrd. m³ Beton herstellen. Die Produktion von Zement verursacht hohe Treibhausgasemissionen und trägt somit zum Klimawandel bei. Dies geschieht vorrangig durch zwei Prozesse: Einerseits werden für den Brennvorgang, bei dem das Ausgangsmaterial Kalkstein zu (Zement-)Klinker gebrannt wird, sehr hohe Temperaturen benötigt (1.450°C). Dies führt zu einem hohen Brennstoffverbrauch und damit zu hohen energiebedingten Emissionen. Andererseits führt die chemische Reaktion beim Brennvorgang zu einer Freisetzung von CO2, weil eine Entsäuerung des Kalksteins stattfindet. Zudem entstehen Emissionen durch den Stromverbrauch beim Mahlen sowie dem Transport von Rohstoffen und Endprodukten. In Summe ergibt sich ein durchschnittliches Treibhausgaspotential von 587 kg CO2-Äquivalenten pro Tonne Zement in Deutschland. Die ökologischen Auswirkungen, die durch die Verwendung von Zement entstehen, sind beträchtlich: 2 % der deutschen Treibhausgasemissionen und 8 % der globalen Treibhausgasemissionen werden durch die Zementherstellung verursacht.

Neue Entwicklungen und Methoden der Künstlichen Intelligenz (KI), insbesondere Wissensgraphen (eng. „Knowledge Graph“) bieten eine vielversprechende Technologie, kontextuelles Wissen kausal erklärbar zu machen und in einen semantischen Zusammenhang zu setzen. Im Kontext der zuvor genannten Probleme stellen sie ein großes Potential dar, Simulationen bei der Vorhersage von Materialverhalten zu unterstützen und dabei Schlüsselindikatoren wie beispielsweise CO2-Beiwerte und Einsparpotenziale bei Optimierungsfragen aufzuzeigen. Additive Fertigungsverfahren gehören bereits zum Standardrepertoire in der Leichtbaufertigung. Sei es in der Luftfahrt oder im Automobilbau – 3D-Druck-Teile erlauben die Synthese komplexer topologieoptimierter Strukturen, die bereits branchenübergreifend Potentiale heben. Auch im Bauwesen haben sich Material einsparende additive „3D-Betondruck“-Verfahren angekündigt, doch sind bisher nur wenige prototypische Umsetzungen bekannt. Langfristig kann aufgrund der vielseitigen Einsetzbarkeit und der ökologischen wie ökonomischen Vorteile ein großes Wachstumspotential prognostiziert werden. Dabei spielt die Zusammensetzung des Baustoffs und dessen Zusätze eine zunehmend wichtige Rolle. Besonders interessant sind hierbei natürlich vorkommende CO2 neutrale Baustoffe basierend auf Ton, welche ebenfalls durch die additiven Fertigungstechnologien potenziell neue Materialeigenschaften erreichen und mittels zuvor nicht möglicher Bauteilkomplexitäten ihr bislang nachgesagtes unelastisches Verhalten kompensieren. Angesichts dieser Herausforderungen gilt es, Beton als Werk- bzw. Baustoff in der Zusammensetzung, Herstellung und im Einsatz grundsätzlich auf den Prüfstand zu stellen.

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