Bäume im Computertomografen Erst sehen, dann sägen

Computertomografen, in der Medizin unentbehrlich, sollen jetzt auch Baumstämme durchleuchten und die Holzverarbeitung optimieren. Freiburger Forscher testen einen Prototypen.

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Bislang hat man einen Baumstamm aufgeschnitten und hinterher die entstandenen Bretter nach ihrer Qualität sortiert, heute sollen Computertomographen dabei helfen

Es dauert etwa so lang wie ein Menschenleben, bis aus einem Fichtensamen ein Baum erwachsen ist, der als Bauholz taugt. Bis ein solcher Waldriese zu Balken, Brettern, Dachlatten und Sägemehl verarbeitet ist, vergehen nur ein paar Augenblicke.

In modernen Sägewerken passiert das fast vollautomatisch. Laserscanner vermessen die Stämme bei der Anlieferung millimetergenau und schicken die Daten an einen Computer. Der entscheidet, ob daraus ein Dachstuhl, Fensterleisten oder Rauholz für Lkw-Paletten wird. Ein paar Minuten später klappert hinten der Zuschnitt in die Sortieranlage.

Nur auf den äußeren Anschein allein mögen sich manche dieser halbautonomen Sägewerke nicht mehr verlassen. Sie nutzen neuerdings medizintechnische Geräte, um einen Baumstamm auch nach seinen inneren Werten zu beurteilen. Herkömmliche Röntgengeräte für diesen Zweck gibt es seit einigen Jahren auf dem Markt. Sie durchleuchten das Holz aus einer Richtung, ähnlich wie einen Knochenbruch beim Orthopäden.

Derzeit wird die nächste Gerätegeneration für ihren Einsatz im Sägewerk vorbereitet: Computertomografen (CT), die eigentlich dazu da sind, feinste Verletzungen, Schwellungen oder Geschwüre im menschlichen Körper zu entdecken. Sie sollen ein detailliertes dreidimensionales Bild des Holzkörpers abliefern. »Die hohe Kunst besteht darin, am Ast vorbeizusägen, ohne ihn auf der Oberfläche sehen zu können«, erklärt Udo Sauter von der Forstlichen Versuchs- und Forschungsanstalt des Landes Baden-Württemberg in Freiburg. Er arbeitet mit seinen Kollegen daran, den ersten kommerziellen Baum-CT der Welt zur Serienreife zu bringen.

Bislang hat man einen Baumstamm aufgeschnitten und hinterher die entstandenen Bretter nach ihrer Qualität sortiert. Äste, Faulstellen oder breite Jahresringe mindern die Qualität und damit den Preis. Erkennt der Säger die Problemstellen per Röntgenblick schon vor dem Schnitt, kann er den Stamm noch besser zu möglichst vielen hochklassigen Brettern und Balken filetieren. Durch die höhere Ausbeute könne die Wertschöpfung eines durchschnittlichen Betriebes um bis zu zehn Prozent steigen, schätzt Sauter.

Ein Beispiel? Angenommen in einem Stammabschnitt gammelt das Holz unter der Rinde. Wird der Stamm nun so in die senkrecht stehende Brettsäge eingespannt, dass die Faulstelle oben oder unten liegt, werden die meisten Bretter, die dabei herauskommen, den Fehler tragen. Wird der Klotz aber um neunzig Grad gedreht, sodass der Fehler an der Seite liegt, ist mindestens die Hälfte der Bretter fehlerfrei. Statt etwa zehn Brettern minderer Qualität kommen fünf hochwertige heraus, die sich zu einem besseren Preis verkaufen lassen, und außerdem noch ein bisschen B-Ware. Der Rest wandert in den Schredder und wird zu Hackschnitzeln für das nächste Biomassekraftwerk.

Die Geschichte der Holzdurchleuchtung begann Ende der 1980er Jahre in Schweden, mit einer Kaffeepause an der Technischen Universität Luleå. Einige Studenten kabbelten sich, und dabei sei das Wort »Holzkopf« gefallen, erinnert sich Owe Lindgren. Damals war er einer der angehenden Holzforscher, heute ist er Professor am Department für Holzforschung und -technik in Skellefteå, 130 Kilometer von Luleå in Nordschweden entfernt. Die freundschaftliche Pöbelei war der Anlass, ein paar Tage später ein Stück Holz in einen Computertomografen zu legen.

Die Forscher waren überrascht vom Resultat. »Für Röntgenstrahlen besteht nur ein sehr kleiner Unterschied zwischen Holz und menschlichem Gewebe«, sagt Lindgren. Die festen Knochen erscheinen im Röntgenbild heller als weiches Gewebe. Genauso ist es beim Holz: Bereiche mit hoher Dichte absorbieren die durchdringende Strahlung stärker als Zonen mit geringerer Dichte. Die Durchleuchtung erlaubt dabei eine Beurteilung der Holzqualität, denn die Dichte beeinflusst die Festigkeit eines Brettes oder eines Balkens. 1992 schrieb Lindgren seine Dissertation über die Dichte- und Feuchtigkeitsmessung von Holz mithilfe eines medizinischen CT-Scanners.

Dass es heute, 17 Jahre später, noch immer keinen Holz-CT auf dem Markt gibt, erklärt Udo Sauter mit dem 11. September 2001. »Vorher gab es Interesse von CT-Herstellern. Nach den Terroranschlägen in den USA entdeckte die Branche die Flughafensicherheit als lukrativeres Geschäftsfeld und brach die Entwicklung für die Holzindustrie ab.« Die Firma Microtec im norditalienischen Brixen ist eine der wenigen, die derzeit an der Kommerzialisierung der Computertomografie für Baumstämme arbeiten. Das Unternehmen hat auch den Prototyp für die Freiburger Forscher gebaut. Ein Furnierhersteller zeige bereits Interesse an dem Gerät, sagt der Geschäftsführer Federico Giudiceandrea. Den Namen will er nicht verraten. Zu groß ist die Angst vor Wettbewerbern, die jede Neuerung wachsam beobachten.

Routinemäßig schaffen die Forscher mit ihren Maschinen heute eine Auflösung von einem Kubikmillimeter. Für Sägewerke, die im Jahr eine Million Festmeter und mehr verarbeiten, seien das jedoch viel zu viele Informationen, bremst Owe Lindgren die Begeisterung für Pixelzahlen. Auch Sauter räumt ein, dass Auflösung gar nicht derart fein sein muss, um Astlöcher und Faulstellen zuverlässig zu erkennen.

Am Technischen Forschungsinstitut von Schweden in Skellefteå beschäftigt sich Johan Oja, ein weiterer Pionier der Baumdurchleuchtung, deshalb vornehmlich damit, einfachere Röntgengeräte für die Zwecke der Industrie anzupassen. »CT-Scanner sind momentan nicht schnell genug für den Massendurchsatz in großen Sägewerken«, sagt Oja. Normale Röntgengeräte mit fest montierten Köpfen – statt rotierenden Strahlenquellen wie im Computertomografen – schaffen hingegen die gewünschte Scan-Geschwindigkeit von 150 Metern Holz pro Minute und sind bereits seit einigen Jahren im Sägewerkeinsatz.

Manche Betreiber nutzen sie nur, um das Holz nach eingewachsenen Steinen oder Metallteilen wie Nägeln von alten Schildern, Gewehrkugeln aus den Flinten von Jägern oder Granatsplittern aus den Weltkriegen abzusuchen, weil die das Sägeblatt zerstören könnten. In anderen Werken werden sie benutzt, um minderwertige Stämme vor dem Sägen auszusortieren. Weit verbreitet ist ihr Einsatz bei der Beurteilung des fertigen Schnittguts für unterschiedliche Güte- und Festigkeitsklassen. Damit ein Brett als Bauholz verwendet werden darf, müssen Jahresringbreite und Astigkeit die vorgeschriebenen Normen erfüllen. Der Röntgenblick ist beim Sortieren nicht immer schneller als das menschliche Auge, doch in manchen Ländern ist eine maschinelle Klassifizierung für Bauholz inzwischen Pflicht, da sie weniger fehleranfällig ist.

Die neuen Computertomografen hingegen sollen den Sägern bei der Planung helfen. Im Idealfall sehen diese am Computerbildschirm, nachdem ein virtuelles Sägeblatt oder Furniermesser durch das Holz gegangen ist, wie die Schnittflächen ausschauen würden. »Virtuelle Produktion«, so nennt das Sauter, »eine Zukunftsvision, in die noch viel Arbeit investiert werden muss.«

Schon heute könnten Sägereien von Computertomografien profitieren, auch wenn sie nicht zu den ganz Großen zählen, die zwei Millionen und mehr Kubikmeter Holz pro Jahr verarbeiten. Das hat Alexander Petutschnigg ermittelt, Leiter des Studiengangs Holztechnologie und Holzbau der Fachhochschule Salzburg. Selbst ein Werk, das nur 100.000 Kubikmeter Holz im Jahr säge, könne acht Prozent mehr hochwertige Produkte herausschneiden. Damit wäre die Investition von etwa einer halben Million Euro rasch wieder eingespielt. »Es ist leichter, mehr Wert aus einem Stamm herauszuholen, als noch mehr Stämme zu zersägen«, sagt Petutschnigg. »Die Zukunft der Sägeindustrie liegt in einer höheren Wertschöpfung und nicht in mehr Durchsatz. Die Ressourcen sind beschränkt, wir müssen lernen, sie intelligenter zu nutzen.«

Die Holzforscher Sauter und Petutschnigg schätzen die Computertomografie aber auch als Werkzeug für ihre Grundlagenforschung. Mit Maschinen, die in der Werkstoffprüfung verwendet werden, um feinste Risse in Bauteilen aufzuspüren, können sie die Holzfasern sogar im Mikrometerbereich studieren. »Wir wollen verstehen, wie Holzstrukturen angelegt werden, wenn der Baum wächst«, sagt Sauter. Sogar über den Einsatz von Magnetresonanztomografen wird nachgedacht, die nochmals feinere Details liefern, weil sie zwischen Wasser und Holz unterscheiden können. Alexander Petutschnigg in Salzburg versucht derweil neue Holzwerkstoffe herzustellen, etwa eine biologische Alternative zum luftigen Isoliermaterial Styropor. Dafür untersucht er, wie die Fasern im Holz miteinander verflochten sind. »Wir haben Glück«, sagt der Holztechniker, »unser Patient bewegt sich nicht. Das gibt scharfe Bilder.«