Holzmechanobiologie erklärt mittels Multiskalenmodellierung

In der Baustoffindustrie wird Holz seit Längerem als umweltfreundliche und vielversprechende Alternative zu herkömmlichen Materialien erachtet. Um Holz tatsächlich als Baustoff einsetzen zu können, muss es allerdings eine Reihe von Voraussetzungen erfüllen, die im Wesentlichen dessen Qualität und Verarbeitbarkeit betreffen. In diesem Zusammenhang stellt sich nun die Frage, ob eine beabsichtigte und zielgerichtete Einflussnahme auf das Baumwachstums und dessen Dynamik ein nutzbringender Faktor sein kann. Im Rahmen dieses Projekts wird versucht, Antworten auf diese Frage zu finden. Es wird der Hypothese nachgegangen, dass Multiskalenmodellierung die mechanischen und biologischen Aspekte von Holz betreffend die gesuchten Erkenntnisse liefern kann, welche das Verständnis von Holzwachstum verbessern. Zu diesem Zwecke werden Multiskalenmodelle der Baummechanik entwickelt, welche die mechanischen Eigenschaften von Holz auf mikroskopischer Ebene mit dem entsprechenden makroskopischen Strukturverhalten von Bäumen verbinden. Außerdem wird die mechanobiologische Regulierung von Holzwachstum auf fundamentale Art und Weise berücksichtigt. Dies bedeutet, dass sowohl die mechanischen als auch die biologische Faktoren, welche Holzwachstumsprozesse stimulieren, sowie deren Interaktionen und Kopplungen in Betracht gezogen werden um letztlich mathematische Wachstumsmodelle zu entwickeln. Die genannten Modelle werden schließlich miteinander gekoppelt und eingehend getestet. Letzteres wird durch Vergleiche von Modellvorhersagen mit entsprechenden , in der Literatur verfügbaren, experimentellen Ergebnissen erfolgen. Durch die Einführung mathematischer Modellierung werden die bisher weitgehend experimentell getriebenen Forschungsfelder der Holzmechanobiologie im Speziellen und der Pfl anzenmechanobiologie im Allgemeinen grundlegend erweitert. Langfristig tragen die Ergebnisse dieses Projekts das Potential in sich, eine wertvolle Basis für die nachhaltige Reduktion umweltschädlicher Effekte in der Holzindustrie zu liefern.

Im Rahmen des Projekts WOODgrowth wurde ein mathematisches Modell entwickelt, welches auf zwei fundamentalen Modellierungskonzepten beruht. Einerseits dient ein mikromechanisches Modell der Hochskalierung von Eigenverzerrungen auf die makroskopische Ebene. Eigenverzerrungen entstehen in den Zellwänden von Harthölzern im Zuge des Wachstums von sogenanntem "tension wood". Sie führen in weiterer Folge zur Reorientierung von solchen Holzstrukturen und sind somit ein wesentlicher Mechanismus des Holzwachstums. Im entwickelten Modell wurden die auf diese Weise erhaltenen Eigenverzerrungen mit einem Euler-Bernoullischen Stabmodell gekoppelt, mit Hilfe welchem sowohl einfache als auch komplizierte Holzstrukturen nachgebildet werden können. Das erhaltene Modell konnte anhand von in der Literatur bereitgestellten experimentellen Befunden erfolgreich kalibriert und angewendet werden. Die in WOODgrowth entwickelte Modellierungsstrategie stellt einen wichtigen Schritt über den Stand der Technik dieser Forschungsdisziplin hinaus dar. Zum ersten Mal wurden die im Zusammenhang mit Reaktionsholz auftretenden Eigenverzerrungen auf makroskopischer Ebene nicht ad hoc angenommen, sondern durch ein fundiertes mathematisches Modell berechnet. Die Projektergebnisse und -methoden sind also eine wertvolle Basis für zukünftige Forschungsvorhaben mit dem Ziel das Wachstum von Holz berechenbar und vorhersagbar zu machen. Die in diesem Zusammenhang so wichtigen mechanobiologischen Mechanismen des Wachstumsprozesses, also die biologische Antwort des Holzes auf mechanische Stimuli, wurden in WOODgrowth auf phänomenologische Art und Weise berücksichtigt, durch stark vereinfachte Wachstumsgesetze. Eine diesbezügliche Modellverbesserung soll das Ziel von entsprechenden Nachfolgeprojekten werden. Die Anwendbarkeit des entwickelten Modells ist breit gefächert. Einerseits können die beiden Modellierungskonzepte unabhängig von der Forschungsdisziplin eingesetzt werden, für jegliche adaptive Stabsysteme sowie für jegliche auf mikroskopischer Ebene durch Eigenverzerrungen beanspruchte Kompositmaterialien. Andererseits stellt das entwickelte Modell eine unmittelbare Basis für die Erreichung einer Reihe verschiedener Forschungsziele dar. Dies betrifft sowohl die Erforschung des Holzwachstumsprozesses im Allgemeinen als auch konkrete technologische Anwendungen (wie zum Beispiel die Optimierung von Pflanzenwachstum für die Raumfahrt).