Erstes Heilmittel gegen kontaminiertes Holz

Abriss oder Sanieren? Diese Frage steht oft im Raum, wenn es sich um ältere Gebäude handelt. Ein Grund für solche Überlegungen sind kontaminierte Hölzer, die einst mit den besten Absichten vor Insekten-, Pilzen- und Schimmelbefall geschützt werden sollten. Behandelt wurden sie mit Holzschutzmitteln wie Lindan, DDT, Pentachlorphenol (PCP) oder PAK. Die Verbindungen wurden nicht nur in zehntausenden Dachstühlen verwendet, sondern auch für Gartenmöbel, Gartenhäuser, Fensterrahmen, Außentüren, Gartenzäune oder auch Bahnschwellen eingesetzt.

Doch Anfang der 1980er Jahre wurde erstmals festgestellt, dass die Chemikaliengemische schwere Gesundheitsschäden verursachen. In der DDR galt noch bis 1989 das so genannte Hylotox 59 mit den Wirkstoffen DDT und Lindan als Allheilmittel gegen Schädlingsbefall von Holzbauteilen. Heutzutage ist der Einsatz all dieser Verbindungen verboten. Weniger bekannt ist jedoch, dass die gefährlichen Substanzen auch nach Jahrzehnten noch unbemerkt aus dem Holz entweichen und die Atemluft gefährden. In Deutschland trifft das auf etwa drei Millionen Gebäude zu, darunter 100.000 Fachwerkhäuser, Fertigteilhäuser oder Holztäfelungen. So können z. B. auch Dachstühle nicht zu Wohnungen ausgebaut werden, weil sie stark kontaminiert sind.

„Es besteht also lange schon dringend Handlungsbedarf“, sagt Dr. Andrea Burdack-Freitag, Leiterin der Gruppe Analytik und Angewandte Sensorik des Fraunhofer-Instituts IBP Valley. Das Projektteam, dass sich mit der Entwicklung einer „Heilmethode“ für kontaminierte Hölzer und Innenraumluft befasste, bestand aus ihrer Gruppe sowie der Firma Resa Chemicals GmbH, Geisenbrunn, mit Dr. Markus Sailer als Chemiker und Spezialist für Cyclodextrine. Aus der Zusammenarbeit entstand ein bislang einzigartiges Verfahren namens CycloPlasma, mit dem sich kontaminiertes Holz und dessen gesundheitsschädliche Emissionen rückstandsfrei, nachhaltig und gesundheitlich unbedenklich bearbeiten lassen. In der Sanierung des Gebäudebestandes sowie in der Modernisierung historischer Bauten stellt diese Technologie eine völlig neue Methode dar.

Anstrich und Luftreinigung

Das CycloPlasma-Verfahren besteht aus zwei Komponenten, wie die Wissenschaftlerin erklärt.

Die eine ist mit dem Wort „Cyclo“ beschrieben. Es handelt sich um einen Holzanstrich auf Basis von Cyclodextrinen, die Schadstoffe dauerhaft inaktivieren können. „Im Rahmen der Erstförderung durch unsere ‚Zukunftsstiftung‘ haben wir am IBP dafür eine neue Rezeptur entwickelt. Das als Gel verarbeitbare Pulver ist zum Patent angemeldet.“ Die Rezeptur basiert auf ringförmigen Dextrosemolekül-Ketten, die aus einer Stärke gewonnen werden. Diese Ringstrukturen aus Zuckerketten umschließen das Lindan und PCP in einem Hohlraum und kapseln die Schadstoffe so komplett ein. Das verhindert ihr Eindringen in die Innenraumluft. Anders als bei herkömmlichen Beschichtungen bleibt die Holzoberfläche dabei diffusionsoffen, ermöglicht so eine Feuchteregulation und verhindert Schimmelbildung.

Der Wortteil „Plasma“, bezieht sich auf die Plasmatechnologie zur Reinigung der Innenraumluft. So genannte Plasma-Luftreiniger, die sich diese Technologiezunutze machen, kamen vielfach während der Corona-Zeit zum Einsatz, um Viren abzubauen. „Wir bewiesen damals, dass sowohl Viren als auch andere Schadstoffe so weit abgebaut werden, dass sie in der Innenraumluft nicht mehr nachweisbar sind.“ In dem Zusammenhang weist die Wissenschaftlerin auf die Qualität der handelsüblichen Plasmageräte hin. Nicht jedes davon könne alle Schadstoffe abbauen. Manche würden sogar bedenkliche Nebenprodukte freisetzen. Deshalb verwendete ihr Team für die Tests einen NT (Niedrig Temperatur) Plasma-Luftreiniger der Firma Oxytec (Cleanair). Dieser nutzt ein unter Hochspannung erzeugtes, kaltes Plasma. Das erzeugt einen Elektronenstrom, in dem sich organische Moleküle in ihre Bestandteile aufspalten.

Die nachhaltige Wirkung der Plasmatechnologie wurde vom IBP in verschiedenen Versuchsreihen für flüchtige organische Verbindungen (VOC), schwerflüchtige Kontaminanten wie PCP, Lindan und biologische Gefahrstoffe wie Viren und Sporen nachgewiesen.

Aktive Luftreinigung durch Plasma

Plasma gilt nach fest, flüssig, gasförmig als vierter Aggregatszustand. Die Plasma-Luftreiniger, die sich problemlos im Raum installieren lassen, bauen die schädlichen Stoffe ab und machen sie unschädlich. Im Prinzip passiert dabei folgendes: Zwischen Hochspannungsplatten kommt es zu einer dielektrischen Barriere-Entladung. Das so genannte Kaltplasma ist in der Lage, organische Emissionen in der Innenraumluft, bzw. in der durch das Gerät gezogenen Luft, nachhaltig zu zerstören. Während bei herkömmlichen Luftfiltern nur Partikel aus der Innenraumluft entfernt werden, vernichtet das Plasmafeld chemische Schadstoffe direkt. Ein weiterer Vorteil: Gerüche werden neutralisiert. Der Prozess läuft in Millisekunden und im Nano-Bereich (Nanometer nm, entspricht einem Milliardstel eines Meters) ab. Filterwechsel wie bei herkömmlichen Luftreinigern erübrigen sich. Mit einer Leistungsaufnahme von nur 30–250 W je Bauart sind die Geräte äußerst energiesparsam.

Der mehrstufige Plasmafilter im Gerät setzt sich zusammen aus einem Staubfilter, einer Plasmadiode mit Plasmafeld und einer Reaktionsstrecke. Eine nachgelagerte Aktivkohleschicht nimmt eventuell noch vorhandene Schadstoffe heraus. Die freien Sauerstoffatome auf der Reaktionsstrecke reinigen auch die Aktivkohle, sodass sie über Jahre hält.

Während der Sanierung sorgen die Luftreiniger für den Arbeitsschutz, sodass z. B. Maler unbedenklich alte Farbschichten (Dekontaminierung) entfernen und die Holzoberflächen säubern können.

Rezeptur auf den Anwendungsfall abgestimmt

Entsprechend des jeweiligen Anwendungsfalls wird die notwendige Rezeptur für die CycloPlasma-Aktivstoffe von Resa objektspezifisch bestimmt und angepasst produziert, ehe sie auf den Hölzern fixiert wird. Das farblose Gel lässt sich zerstörungsfrei auftragen und ist auf der Holzoberfläche kaum wahrnehmbar. Die Holzstruktur bleibt unbeeinträchtigt. Es löst keine Schimmelbildung aus, ist ungiftig, farblos, biologisch abbaubar und abwaschbar. „Die Rezeptur sickert in die Poren des Holzes ein, wo sie die Schadstoffe wie ein Schwamm aufsaugt. Je nach Schadstoffkonzentration verbleiben diese in der Cyclodextrin-Schicht gebunden“, erklärt die Forscherin. Sind zu viele giftige Substanzen vorhanden, können sie nicht komplett von der Rezeptur adsorbiert werden. Die überschüssigen Schadstoffe werden dann in die Innenraumluft abgegeben. Hier wirkt schließlich die Plasmatechnologie.

Erste Erfolge im denkmalgeschützten Dachstuhl und Marstall

„Die Grundidee für diese Art der Schadstoffbehandlung entstand vor etwa sieben bis acht Jahren zusammen mit Restauratoren des Freilichtmuseums Glentleiten“, erzählt Dr. Burdack-Freitag. „Bei Arbeitsschutzuntersuchungen wurde festgestellt, dass Teile der historischen Hölzer im Dachstuhl der Thürlmühle Lindan und PCP aufwiesen. Intensive Recherchen ergaben, dass diese Holzschutzmittel in den 70er Jahren laut Vorgaben der damaligen Behörden zur präventiven Konservierung empfohlen wurden, um die historische Bausubstanz vor Insektenfraß und Schimmel zu schützen.“

Nach ersten unwirksamen Versuchen der thermischen Dekontamination fand das Institutsteam dann die alternative Lösung, indem es zwei Technologien kombinierte, die bei der Dekontamination zusammenarbeiten. Das CycloPlasma-Verfahren wurde dann erstmals für den Anwendungsbereich der Holzsanierung im Dachstuhl eingesetzt.

Obwohl nur ein Teil der Dachkonstruktion behandelt wurde, erwiesen sich die Versuche als vielversprechend: Die Schadstoffkonzentration sank auf ein Drittel der Ausgangskonzentration ab. Nach den Versuchen kam es weder zur Schimmelbildung, noch hatte die Rezeptur das Holz geschädigt. „Allerdings wurde die Rezeptur hier nur dünn auf die sichtbaren Holzoberflächen aufgebracht“, berichtet die Projektleiterin. „Würde die Lasur dicker aufgetragen und auch die Sekundärflächen behandelt werden, ließe sich die Schadstoffkonzentration noch weiter senken.“

Fortlaufende wissenschaftliche Begleitung ermöglicht

Im Langzeitversuch prüft das Projektteam jetzt, wie lange die Cyclodextrin-Schicht stabil bleibt und ob auch langfristig keine Schadstoffe entweichen. Derzeit starten darüber hinaus die Tests mit einer kombinierten Adsorber- und Plasmatechnologie. Bei weiteren Versuchen werden Kompressen, wie bei einer herkömmlichen Restaurierungstechnik verwendet, die mit der Cyclodextrin-Rezeptur getränkt, um die Holzbalken gewickelt und später entfernt werden. Denkbar wäre auch die Restaurierung von Holzmöbeln und Holzobjekten, so die Wissenschaftlerin. Die Lösung eignet sich möglicherweise auch für andere Baumaterialien wie Beton und Estriche, insofern diese ebenfalls Lindan und PCP enthalten. Hier stehen Tests mit Industriepartnern jedoch noch aus.

Zukunftspotenzial

Die revolutionäre Technologie wurde u. a. im Januar dieses Jahres auf der BAU in München gezeigt. Das Projekt CycloPlasma erschließt einen neuen Markt. Wie die Forscherin weiß, haben es solche Entwicklungen aber oft schwer, von der Forschung in die Praxis zu gelangen. Meist gäbe es nur öffentliche Förderungen für Grundlagenforschung oder bereits weit fortgeschrittene Entwicklungen, an denen Industriepartner am Transfer beteiligt sind. „Die Lücke zwischen diesen beiden Enden beträgt jedoch mindestens zwei bis drei Jahre. Wir hatten das seltene Glück, dass unser Projekt von der Fraunhofer Zukunftsstiftung gefördert wurde, so dass es auch fortlaufend wissenschaftlich begleitet werden kann.”

Abnahme einer hoch aktiven Cyclodextrin-Schicht, die nur für zwei bis drei Monate aufgetragen wird. In dieser Zeit nimmt sie die Schadstoffe auf, die danach mittels Vakuumwaschverfahren abgenommen werden. Bild: Fraunhofer ipb

Eine bauaufsichtliche Zulassung gibt es noch nicht, da der Prozess noch sehr aufwändig und teuer ist. Allerdings sind alle in der Cyclodextrin-Rezeptur eingesetzten Stoffe gesundheitlich unbedenklich und werden bereits in anderen Produkten eingesetzt.

Der Transferpartner für das Verfahren, Resa Chemicals, bietet Interessierten eine individuelle Beratung zur Anwendung des Sanierungskonzepts nach dem CycloPlasma-Verfahren an und hat inzwischen mehrere Sanierungsprojekte in Angriff genommen. „Zudem sind wir gemeinsam aktiv dabei, weitere Forschungsanträge beim Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) zu platzieren“, so Dr. Burdack-Freitag.