- Wissenschaftler stellen Baumaterialien aus Bakterien und Sand ohne hohe Temperaturen her.
- Sporosarcina pasteurii kann mineralische Bindemittel erzeugen, die das Zusammenhalten von Sand fördern.
- Das biologische Zement hat derzeit eine Festigkeit, die mit Mörtel vergleichbar ist und eignet sich für nicht tragende Strukturen.
- Chemische Nebenprodukte wie Ammoniak müssen sicher behandelt werden, was die Nachhaltigkeit beeinflusst.
Um nachhaltige Städte zu bauen, richten die Wissenschaftler des ETH Zürich ihren Blick auf einige der kleinsten Organismen der Erde. Die Architektin und Forscherin Karen Antorveza Paez kombiniert Biologie mit digitaler Fertigung, um mit lebenden Bakterien, Sand und Robotik robuste Bauteile herzustellen, ohne fossile Brennstoffe zu verbrennen. Diese Entwicklung zielt auf einen der größten Umweltverursacher weltweit ab. Die Zementproduktion macht etwa 8 % der globalen Kohlenstoffemissionen aus, hauptsächlich weil die Schlüsselkomponenten in riesigen Öfen bei extrem hohen Temperaturen gebrannt werden müssen.
Antorveza Paez rekrutierte ohne Wärmebehandlung den Bodenbakterien Sporocarcina pasteurii, die in der Lage sind, "mineralische Kleber" zu produzieren. Sie erklärt: "Wir nutzen Bakterien, um ein mineralisches Bindemittel herzustellen." Ein Roboterarm trägt wiederholt Bakterien, die für die Kristallbildung benötigten Substanzen und Sand auf die Oberfläche auf, sodass diese schichtweise wachsen.
Wie Bakterien die Produktion von Baumaterialien fördern
Die Mikroben, die die Kalziumkarbonat-Ausscheidung induzieren, ermöglichen es lebenden Bakterien, Sand und lockere Partikel ohne hohe Temperaturen zu festen Strukturkomponenten zu verbinden. Obwohl diese Idee nicht neu ist, haben Experten zuvor bereits über die Möglichkeit nachgedacht, diese Methode zum Bau von Strukturen auf dem Mars zu verwenden. Bakterien erzeugen durch den Abbau von Harnstoff mit einem natürlichen Enzym Carbonat-Ionen in der Mischung. Wenn diese Ionen mit Calciumchlorid interagieren, bilden sie mikroskopisch kleine Kalkstein-Kristalle, die bei Raumtemperatur mechanisch die Sandkörner miteinander verweben und so das Material aushärten. Antorveza Paez erklärt: "Es ist ein bisschen wie beim Backen eines Kuchens, der Teig bleibt sehr formbar und zerbrechlich, nur der Ofen kann ihn in eine feste Substanz verwandeln.
”In ihrer Arbeit übernehmen die Bakterien die Rolle des Ofens.
Herausforderungen und Anwendungen von biologischem Zement
Das Team entwickelte zwei digitale Fertigungsmethoden zur Schaffung von biologischen Zementbauelementen. Die Forscher verwenden maßgeschneiderte Bio-Tinte, die aus Wasser, natürlichen Harzen, Sand und lebenden Bakterien besteht, um ein 3D-Bioprinting-Verfahren zu entwickeln. Nach dem Drucken durchläuft die Struktur ein Mineralisierungsbad von zwei bis fünf Tagen, das täglich aktualisiert wird, um die notwendigen Nährstoffe bereitzustellen. Ähnlich wie ein Ofen härten die Bakterien das Material bei Raumtemperatur, und nach dem Trocknen bleibt ein vollständig ausgehärtetes, inertes mineralisches Bauteil zurück.
Die Herausforderungen hinsichtlich der Festigkeit bestehen jedoch weiterhin. Die zweite Methode besteht darin, Sand, Bakterien und Mineralisatoren abwechselnd mit einem Roboterarm auf die Oberfläche zu sprühen, inspiriert von natürlichen mikrobiellen Gesteinsstrukturen wie Stromatolithen. Sie sagt: "Als Architekt weiß man normalerweise nicht genau, was in den Materialien enthalten ist – sie werden woanders hergestellt." Sie ist fasziniert davon, wie die Natur Wege findet, hochkomplexe Materialien zu produzieren, und hofft, dies zu nutzen, um aktuelle Probleme zu lösen. Dies ist ein vielversprechender Ansatz, aber biologischer Zement ist noch nicht bereit, strukturellen Beton zu ersetzen.
Derzeit liegt seine Festigkeit näher an Mörtel und eignet sich besser für nicht tragende Elemente wie Trennwände oder Fassadenpaneele. Zudem ist Ammoniak, ein Nebenprodukt der chemischen Reaktion, ein Schadstoff, der sicher behandelt oder recycelt werden muss. Antorveza Paez fügt hinzu: "Es ist bedauerlich, dass der Bau mit biologischem Zement nicht nachhaltig ist, es sei denn, wir berücksichtigen die Behandlung dieser chemischen Nebenprodukte."
Auf der Biennale für Architektur in Venedig 2025 wurde eine sechsmonatige Installation durchgeführt, die ein biologisches Zementbauwerk in Echtzeit vor den Besuchern wachsen ließ und das Potenzial automatisierter Bauweise demonstrierte. Wissenschaftler haben bereits bewiesen, dass Bakterien Baumaterialien wachsen können. Jetzt liegt der Wettbewerb darin, diese Materialien stark genug zu machen, um unsere Städte zu tragen.
Entwicklung und Herausforderungen der biologischen Zementtechnologie
Diese Forschung zeigt das Potenzial der Herstellung von Baumaterialien aus Bakterien und Sand, insbesondere hinsichtlich des Beitrags zur Reduzierung von Kohlenstoffemissionen. Obwohl biologischer Zement in der Festigkeit noch nicht das Niveau von strukturellem Beton erreicht hat, bleibt seine Anwendung in nicht tragenden Elementen attraktiv. Zudem hebt das Problem der Behandlung chemischer Nebenprodukte die Komplexität der Entwicklung nachhaltiger Baumaterialien hervor. Mit dem Fortschritt der Technologie könnten in Zukunft weitere innovative Lösungen entstehen, die die Bauindustrie in eine umweltfreundlichere Richtung lenken.