Einst für die Ewigkeit erdacht, müssen Baustoffe wie Beton und Asphalt heute mit der Zeit gehen. Beide Produkte stehen vor ähnlichen Herausforderungen, wie eine umweltfreundliche, ressourceneffiziente Herstellung sowie deutlich geringere CO2-Emissionen. Pietro Lura, der die neue Forschungsabteilung «Beton & Asphalt» an der Empa leitet, hat sich diesen Wandel zur Aufgabe gemacht. Damit passen die Tätigkeitsbereiche seines Teams – Zementchemie, Betontechnologie, Asphalt und Strassenbau – perfekt zu den Zielen des Empa-Forschungsschwerpunkts «Sustainable Built Environment». Denn die Qualität unserer gebauten Umwelt ist ein wesentlicher Faktor für eine nachhaltige Gesellschaft. Hierzu gehören erschwingliche, qualitativ hochwertige und gleichzeitig erschwingliche Gebäude als Wohn- und Arbeitsraum, zeitgemässe Verkehrsnetze und eine zuverlässige Versorgung mit Energie, Wasser und Informationen.

Keine leichte Aufgabe, wenn man bedenkt, dass Beton und Asphalt mit einem jährlichen Bedarf von über 4.5 Milliarden Tonnen den Löwenanteil aller weltweit verwendeten Materialien darstellen. Zwar hat diese enorme Menge einen grossen Anteil an den globalen CO2-Emissionen. «Doch gerade darum bedeuten optimierte Materialeigenschaften auch unmittelbar eine enorme Reduktion der CO2-Belastung, die durch diese Baustoffe verursacht werden», erklärt der Bauingenieur Lura.

Alles eine Teamfrage

Ohnehin ist dem Forscher, der seit zwölf Jahren an der Empa arbeitet und seit 2011 eine Titularprofessur am «Institute for Building Materials» der ETH Zürich innehat, keine Aufgabe zu gross. Und das zeichnete sich bereits lange vor der Berufswahl ab: Ausgerechnet Basketball spielt der nicht gerade überdurchschnittlich grosse Lura in seiner Freizeit leidenschaftlich gern. Und nach einer humanistischen Schulbildung zog es ihn ausgerechnet in die Ingenieurswissenschaften, wo er sich an Universitäten in Italien, den Niederlanden, Dänemark und den USA profilierte.

Und genauso sieht Lura seine Aufgabe an der Empa: In der kleinen Schweiz arbeitet er in einem grossen Forschungsfeld mit enormer internationaler Konkurrenz. «Alles eine Teamfrage», findet Lura. Wie im Mannschaftssport komme es auf die Synergien im Team an. Seine etwa 40-köpfige Abteilung weist mit ihrer Forschungsexpertise ein Alleinstellungsmerkmal im ETH-Bereich auf und hat damit eine hohe Relevanz für Entscheidungsträger wie das Bundesamt für Strassen (ASTRA). Kooperationen mit Industriepartnern und Forschungsinstitutionen auf internationalem Niveau sind zudem bereits bestens etabliert.

«Big Data» für Baustoffe

Thematisch ergeben sich innerhalb der Beton- und Asphaltforschung Synergien, weil beide Baustoffe mit ähnlichen Herausforderungen konfrontiert sind. Zentrale Themen sind etwa der Einsatz alternativer Inhaltsstoffe und bisher ungenutzter Sekundärrohstoffe aus Industrieprozessen sowie die Implementierung effizienter Recyclingprozesse.

Zement und Bitumen, die Bindemittel, auf denen Beton und Asphalt basieren, wurden zwar schon in der Antike verwendet. Heute geht die Forschung aber völlig neue Wege, um die chemischen Eigenschaften der hochkomplexen Materialien zu analysieren, die Baustoffe zu optimieren oder gar mit völlig neuen Funktionen auszustatten. Beide Baustoffgebiete setzen hierbei auf neueste Methoden, etwa aus der Digitalisierung (Künstliche Intelligenz, «Machine Learning», «Big Data» und Computersimulationen), der Fertigungstechnologie («Additive Manufacturing») und dem Bereich der Materialcharakterisierung.

«Unser Ziel ist es, die Prinzipien der Kreislaufwirtschaft umzusetzen, indem wir neue Komposit-Materialien entwickeln, das Cross-Recycling von Asphalt und Beton ermöglichen und alternative Bindemittel analysieren», sagt Lura und fügt hinzu: «Eine spannende Aufgabe in einem global stetig wachsenden Markt.»

Beton als gesellschaftliche Identität

Für manchen mögen Beton und Asphalt grobe formlose Baustoffe sein, deren Faszination sich nicht auf den ersten Blick erschliesst. Für Pietro Lura ist diese Faszination dagegen offensichtlich: Beton und Asphalt sind viel mehr als kostengünstige, robuste Materialen. Sie wirken als «Bindemittel» in unserer Gesellschaft, indem sie Menschen auf Strassen zueinander bringen. Sie schaffen die gesamte Infrastruktur der Welt im Grossen – und im Kleinen, wenn der Privatsphäre Raum gegeben wird mit einem Zuhause oder einem Spitalzimmer. In einer Welt mit rasant zunehmender Mobilität und einer weithin spürbaren Globalisierung bilden die Baustoffe zudem die physische Grundlage, mit der Bauingenieure und Architekten eine gesellschaftliche Identität und kulturelle Verortung der Menschen schaffen.

Erfindergeist für neue Materialien

Als Vater von drei Söhnen ist die Nachhaltigkeit seiner Forschung für Lura auch eine Herzensangelegenheit, die gleichzeitig den Forderungen des Umweltprogramms der Vereinten Nationen (UNEP) entspricht: Umgehend sollen neue zementbasierte Materialien, die klimafreundlicher und günstig sind, entwickelt und eingesetzt werden. Der Anteil des weltweiten CO2-Ausstosses, den die Zementindustrie verursacht, macht derzeit rund sieben Prozent aus. Dieser dürfte künftig allerdings ansteigen, da der Bedarf in Asien und zunehmend auch in Afrika wächst, während die Produktion in Europa stabil ist. Wenn die Empa-Forschenden an der Entwicklung neuer Zement- und Bitumen-basierter Materialien arbeiten, ist ihr Ziel, weniger schädliches Klimagas entstehen zu lassen – oder sogar CO2 aus der Atmosphäre zu bannen. Denn derzeit werden rund 700 Kilogramm CO2 bei der Herstellung jeder Tonne Zement frei.

Innovationen voranzutreiben ist für Lura ein bekanntes Pflaster, hat er doch Erfahrung mit Erfindungen aus der Perspektive des Patentprüfers aus seiner Zeit am Europäischen Patentamt in München. «Das ist eine langfristige Strategie, die starke positive Auswirkungen auf die Nachhaltigkeit der Baubranche haben wird», sagt er. So forscht sein Team beispielsweise an reduzierten Brenntemperaturen und veränderten Rohstoff-Rezepten für die Baustoffe. Alternative Inhaltsstoffe wie Hochofen-Schlacken oder Abfallprodukte aus der Elektronikindustrie werden auf ihre Verfügbarkeit und ihre Materialeigenschaften abgeklopft. Und für Beton wie Asphalt gilt: Der Recyclingprozess von abgebrochenen Gebäuden und Strassenbelägen kann noch deutlich optimiert werden. Damit derartige Ansätze nicht als Nischenprodukte enden, müssen neue Öko-Baustoffe schliesslich die gleichen Anforderungen etwa punkto Dauerhaftigkeit und Festigkeit erfüllen wie herkömmliche Produkte.

Und in noch einem Bereich sieht Lura seine Tätigkeit als «Bindemittel»: Forschung mit der Öffentlichkeit zu verbinden. So hat er etwa als langjähriger Chefredaktor die renommierte Fachzeitschrift «Materials and Structures» betreut. Lura geht aber noch einen Schritt weiter, denn er hat darüber hinaus stets das Prinzip des «open access», also der freie Zugang zu den Ergebnissen öffentlich finanzierter Forschung, verfochten. Forschende sollen mit der Welt verbunden werden, und die Welt solle Einblick in deren Forschung erhalten. «Es ist wichtig, Fortschritte der wissenschaftlichen Community der Öffentlichkeit zugänglich zu machen.»

Als Abteilungsleiter mit einem grossen Team vermisst der Forscher seine Zeit im Labor durchaus, denn auf dem «Spielfeld der Baustoffe» ist meist nur sein Team aktiv. Am Ball bleibt Lura dennoch, wenn er seine Ideen einbringen kann und sieht, wie sie in der gemeinsamen Weiterentwicklung wachsen und daraus neue Experimente, Technologien oder Materialkompositionen entstehen. Es sei für ihn eine spannende Zeit, zu sehen, wie ein Team zusammenwächst und gleichzeitig global wichtige Entscheidungen für die Zukunft der Bauindustrie anstünden.

Portrait: Pietro Lura - Unser Mann fürs Grobe