Glas muss nicht perfekt sein

Sie beschäftigen sich seit rund zehn Jahren mit tragenden Strukturen aus Gussglas. Was gab den Anstoß dafür?

Faidra Oikonomopoulou: Es begann 2014 mit den Crystal Houses in Amsterdam. Für den Flagship Store im Stadtzentrum hatte das Architekturbüro MVRDV eine Fassade aus geklebten Gussglassteinen geplant. Sie sollte eine exakte, aber völlig transparente Kopie der vorherigen historischen Fassade sein. Die Tragwerksplaner ABT wandten sich an unsere Forschungsgruppe, um die Konstruktion dafür zu entwickeln. Damals gab es dazu kaum Wissen, wie sich eine 10 x 12 m große, selbsttragende Fassade aus Gussglas herstellen lässt. Es fehlten geeignete Klebstoffe für solch eine Anwendung, und auch die Festigkeitswerte geklebter Glassteine waren nicht bekannt. Wir mussten also die gesamte Forschungs- und Entwicklungsarbeit für das Projekt leisten – sowohl was den statischen Nachweis als auch was die Umsetzung auf der Baustelle betrifft.

Telesilla Bristogianni: In der Folge haben wir auch den Bau der Fassade überwacht – jeden Tag von sechs Uhr morgens bis sechs Uhr abends. Den ersten Quadratmeter Glasfassade haben wir gemeinsam mit den Handwerkern vor Ort selbst gemauert, um ihnen die im Labor entwickelte Bauweise beizubringen.

Wo sehen Sie die Potenziale von gegossenem Glas?

Faidra Oikonomopoulou: Gussglas kann nicht nur die Form traditioneller Mauersteine annehmen. Es bietet viel mehr Gestaltungsmöglichkeiten und hat auch aus statischer Sicht große Potenziale. Das hat uns motiviert, die Forschung fortzusetzen – auch in Richtung kreislauffähiger Konstruktionen. So kamen wir auf die Idee mit ineinandergreifenden Glassteinen, die sich mit einer Zwischenschicht trocken stapeln lassen, ohne dauerhafte Verklebung. Und wir haben uns gefragt: Müssen wir wirklich neues Glas für diese Steine verwenden oder tut es auch Altglas? Wir haben zunächst mit Alltagsobjekten aus Glas experimentiert: etwa mit alten Röhrenbildschirmen, mit Frontscheiben von Backöfen, mit Abfällen aus der Glasbläserei und mit vielem mehr.

Was geschieht mit diesen Abfällen bisher?

Telesilla Bristogianni: Derzeit wird in Europa nur Behälterglas in größeren Mengen recycelt. Der Rest wird nur minderwertig verwertet oder landet auf der Deponie. Das hat logistische und technische Gründe. Die Transportkosten sind hoch, es gibt kaum etablierte Sammelsysteme und die sortenreine Trennung zwischen Glas und anderen Materialien ist schwierig, etwa bei alten Isolierglasscheiben. Hinzu kommen je nach Glassorte unterschiedliche optische und strukturelle Eigenschaften sowie unterschiedliche Normen. Die Floatglasindustrie stellt zum Beispiel enorm hohe optische Anforderungen an ihre Produkte. Die Rohmaterialien müssen daher komplett frei von Verschmutzungen und Verfärbungen sein. Das schließt die Verwendung von Post-Consumer-Altglas praktisch aus.

Wie steht es um die statischen Eigenschaften von Gussglas aus Altglas?

Faidra Oikonomopoulou: Wir haben in unserem Labor zahlreiche Biege- und Bruchtests durchgeführt. Damit wollen wir herausfinden, welche Verunreinigungen und welche Zusammensetzung der Glasscherben zu welchen statischen Eigenschaften des Gussglases führen. Viele Glasbeschichtungen sind diesbezüglich unproblematisch, aber es gibt einige Materialien wie Glaskeramik, die uns große Probleme bereiten.

Telesilla Bristogianni: Insgesamt sind dreidimensionale, gegossene Strukturen in puncto Tragverhalten aber viel fehlertoleranter als Flachglas. Wenn Glasscheiben versagen, liegt das oft an kleinsten Rissen an ihrer Oberfläche, die schnell wachsen und dann zum Bruch führen. Bei gegossenem Altglas können wir dieses Risiko minimieren, indem wir es in eine Schicht aus hochwertigem Glas einkapseln. Unregelmäßigkeiten im Inneren der Glasmasse führen nur selten zum Versagen.

Einige Ihrer Gussglasexperimente stellen Sie auch zur glasstec 2024 aus. Sie haben eine sehr ausdrucksstarke Ästhetik.

Telesilla Bristogianni: Das ist für uns als Architektinnen vielleicht der wichtigste Punkt überhaupt. Glas muss nicht perfekt sein. Es kann Fehler haben, und diese können sehr schön sein. Denken Sie zum Beispiel an die Backofentür in Ihrer Küche: Diese hat eine schwarze Fritte, die Chromoxid enthält. Wenn man sie zusammenschmilzt, wird daraus eine Art grüner, transparenter Schleier im Glas.

Faidra Oikonomopoulou: Das Schmelzen von Glas ist ein wenig wie Kochen. Hohe und niedrige Schmelztemperaturen ergeben völlig unterschiedliche Effekte. Auch die Größe der Scherben und die Geschwindigkeit des Abkühlprozesses haben Einfluss auf das Endresultat. Das gilt auch in statischer Hinsicht: Wenn Sie Glas langsam abkühlen, sodass es voll auskristallisiert, wird es am Ende tragfähiger.

Telesilla Bristogianni: Am Ende möchten wir all unsere Erkenntnisse in eine Datenbank einfließen lassen, aus der hervorgeht: Wenn Sie dieses oder jenes Rohmaterial verwenden und es auf die eine oder andere Weise verarbeiten, können Sie diese oder jene optischen und technischen Eigenschaften erwarten. Genau wie in einem Kochbuch!

Gibt es bereits erste Anwendungen in der Praxis?

Faidra Oikonomopoulou: Wir konnten unsere Erkenntnisse bereits 2022 bei der Skulptur „The Mirage“ am Apple-Hauptquartier in Cupertino (USA) anwenden. Sie wurde von den Architekten Zeller & Moye and der Künstlerin Katie Paterson entworfen und besteht aus rund 480 Gussglassäulen, die aus dem Sand von etwa 70 Wüstenregionen der Welt gefertigt sind.

Telesilla Bristogianni: Das Entwurfsteam und Apple wollten von uns wissen, wie die unterschiedliche chemische Zusammensetzung des Sandes die Glaseigenschaften beeinflussen würde. Die Herausforderung lag dabei weniger im Tragverhalten als darin, zwischen den Säulen einen möglichst nahtlosen Farbverlauf zu erreichen. Wir haben das Rohmaterial mit Röntgendiffraktometrie- und Röntgenfluoreszenzanalysen auf seine Zusammensetzung hin untersucht und mit etwa 20 Sandsorten auch Schmelztests durchgeführt. Die unterschiedlichen Farben entstehen ganz ohne zugefügte Pigmente, nur aus dem Material der Wüste. Die blauen Säulen etwa stammen hauptsächlich aus schwarzem Vulkansand, vor allem aus Hawaii. Darin liegt das Eisen noch in einem reduzierten Zustand vor. Bei gelben oder rötlichen Sanden ist das Eisen bereits oxidiert und ergibt dann ein grünliches Glas.

Faidra Oikonomopoulou: Am Ende sind aus jeder Art Wüstensand sechs bis sieben Säulen entstanden. Dabei kam es auch auf die Reihenfolge der Herstellung an. Zum Beispiel sollte man sehr helle Säulen nicht direkt nach einer dunkelblauen Charge gießen, weil sich noch blaue Glasreste im Schmelzofen befinden können. Wir mussten aber auch die Verfügbarkeit des Materials berücksichtigen. Nicht alle Sorten Sand waren zum Produktionsstart schon verfügbar. Es war wie ein gigantisches Puzzlespiel!

In einem anderen Forschungsprojekt beschäftigen Sie sich mit der topologischen Optimierung von Gussglasstrukturen. Um welche Eigenschaften geht es dabei genau?

Faidra Oikonomopoulou: Der wichtigste limitierende Faktor beim Gussglas ist die Zeit, die das Tempern oder Abkühlen des Glases in Anspruch nimmt. Die Kühldauer nimmt dabei exponentiell mit dem Glasquerschnitt zu. Besonders extrem ist dieser Effekt bei den größten je aus Glas gefertigten Gegenständen, den Spiegeln der großen Weltraumteleskope. Sie brauchen Monate zum Abkühlen. Inzwischen stellt man sie mit einer Art Wabenstruktur her, um das Verhältnis von Masse zu Steifigkeit zu optimieren und die Abkühlzeit zu verkürzen.
Diese Spiegel waren unsere Inspirationsquelle. Ich dachte mir: Warum nutzen wir die Topologieoptimierung nicht auch bei großen Gussglaselementen für die Architektur? Auf diese Weise können wir monolithische, tragende Glaselemente mit großen Abmessungen herstellen, die weniger Zeit zum Tempern benötigen und eine große Tragfähigkeit besitzen. Wir arbeiten mit Dr. Charalampos Andriotis, einem Assistenzprofessor an unserer Universität, und einem Team am MIT zusammen, um entsprechende Optimierungs-Algorithmen zu entwickeln. Diese müssen natürlich auf die Eigenschaften von Glas abgestimmt sein – etwa die unterschiedliche Zug- und Druckfestigkeit des Materials sowie das Abkühlverhalten.

Welche konkreten Anwendungen erhoffen Sie sich von der Technologie?

Faidra Oikonomopoulou: Denkbar wären zum Beispiel Glasträger oder ganze Gewölbestrukturen aus gegossenem Glas, aber auch kleine Fußgängerbrücken und Glasfußböden. Wahrscheinlich müsste man diese von oben mit einer Floatglasscheibe schützen und eine gewisse Redundanz einbauen, damit die Konstruktion beim Bruch eines Glasträgers nicht komplett versagt.

Telesilla Bristogianni: Wir haben auch mit Gussglaselementen experimentiert, die wir ähnlich wie Beton mit Metall bewehrt haben. Das ist definitiv ein Thema, mit dem wir uns im nächsten Jahr stärker beschäftigen möchten.