ETH Zürich verwandelt Sand mit Bakterien in festen Biobeton
Forschende entwickelten automatisierte 3D-Druck- und Roboter-Sprühverfahren, die Sand ohne Ofenhitze zu Bauelementen verfestigen
Von Giovanni Sapere
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Ingenieure der ETH Zürich haben eine architektonische Innovation entwickelt, die gewöhnlichen losen Sand mithilfe lebender Bakterien zu starren Bauteilen bindet. Unter der Leitung von Karen Antorveza Paez schuf das Team zwei Fertigungsverfahren, die die hohe Hitze und die hohen CO2-Emissionen der herkömmlichen Zementherstellung vermeiden, wie [New Atlas](https://newatlas.com/materials/biocement-solid-sand/) berichtet.
Kalziumkarbonat ohne hohe Hitze wachsen lassen
Die traditionelle Zementherstellung erfordert extreme Ofentemperaturen und erzeugt entlang der globalen Bauversorgungsketten erhebliche Kohlendioxidemissionen. Um diesen Fußabdruck zu umgehen, untersuchte eine Gruppe der ETH Zürich eine umweltfreundliche Innovation, die auf natürlicher Mineralausfällung durch ein Bakterium namens Sporosarcina pasteurii beruht, so New Atlas. Unter kontrollierten chemischen Bedingungen besiedelt der Mikroorganismus die winzigen Zwischenräume zwischen den Sandkörnern und löst die Bildung von Kalziumkarbonat aus, dem starren Mineral, das in Kreide, Kalkstein und Muschelschalen vorkommt.
„Man hat den Teig, der noch sehr formbar und empfindlich ist. Nur der Ofen kann daraus etwas Festes machen.“
— Karen Antorveza Paez, leitende Forscherin an der ETH Zürich
Fünf Tage von der Bio-Tinte zur festen Struktur
Das Schweizer Team entwarf zwei getrennte Arbeitsabläufe, um mit dieser Erfindung lose Körner in feste Formen zu verwandeln. Der erste Ansatz kombiniert Biozementierung mit 3D-Druck. Wie New Atlas berichtet, mischten die Forschenden Sand, Wasser, lebende Bakterien und chemische Zusätze zu einer gelartigen Bio-Tinte, die sich zu komplexen Formen extrudieren lässt. Nach dem Formen tauchen Techniker das gedruckte Teil drei Tage lang in ein chemisches Bad aus Harnstoff und Kalziumchlorid. Während dieses Eintauchens katalysieren die Bakterien die Kristallbildung, die den Sand fixiert. Zwei Tage Trocknung bei Raumtemperatur schließen den Zyklus ab und hinterlassen die Bakterien inaktiv in einer fertigen Struktur.
Robotersprühen läuft sechs Monate ohne Aufsicht
Für größere Oberflächenelemente entwickelten die Forschenden ein automatisiertes System, das Robotik einsetzt, um die Mischung aufzutragen. Ein Roboterarm sprüht Sand und Bakterienbrühe Schicht für Schicht auf eine Zieloberfläche und baut dabei Dicke auf, während sich Kalziumkarbonat bildet. Um die mechanische Ausdauer des Aufbaus zu demonstrieren, ließ die ETH Zürich diese Sprühvorrichtung sechs Monate lang ohne ständiges menschliches Eingreifen kontinuierlich laufen, so New Atlas.
Giftige Nebenprodukte und strukturelle Grenzen zu lösen
Bevor bakterieller Sand auf Baustellen Standard-Portlandbeton ersetzen kann, bleiben technische Hürden. Das Mineralisierungsbad im Druckprotokoll erzeugt Ammonium, ein giftiges Nebenprodukt, das die Forschenden vor einer industriellen Skalierung neutralisieren müssen, so New Atlas. Die mechanische Festigkeit des Materials entspricht derzeit Bauwerksmörtel, der Mauerwerkseinheiten verbindet, und nicht Konstruktionsbeton für Fundamente und tragende Pfeiler. Bevor ein Patent angemeldet oder eine kommerzielle Einführung angestrebt wird, testet das Labor derzeit, wie unterschiedliche Korngrößen die endgültige Materialleistung verändern.
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