Materialforschung Wissenschaftler erzeugen lebenden Beton

Zement und Beton herzustellen, kostet viel Energie und belastet die Umwelt. Forscher arbeiten an Alternativen - und haben nun lebende Bakterien ins Baumaterial integriert.
Foto: CU BOULDER COLLEGE OF ENGINEERING & APPLIED SCIENCE

Man braucht sie für Brücken, Gebäude, Straßen - Zement und Beton sind nach Wasser die meistkonsumierten Materialien weltweit. Allerdings haben sie zwei große Schwächen:

  • Zement zu produzieren, kostet viel Energie. Er wird in großen Drehöfen aus Kalkstein und Ton gebrannt. Fast sechs Prozent der jährlichen Kohlendioxidemissionen weltweit entstehen so.

  • Vermischt man Zement mit Sand und Wasser, erhält man Beton. Der allerdings bekommt leicht Risse, etwa wenn sich Gebäude über die Jahre setzen.

"Unser Ziel war es, ein lebendiges Material zu erzeugen und von den Fähigkeiten der enthaltenen Organismen zu profitieren."

Wil Srubar, University of Colorado Boulder

Forscher arbeiten seit Jahren daran, die Eigenschaften von Zement und Beton zu verbessern und zugleich ihre Produktion umweltfreundlicher zu gestalten. Ein Team um Wil Srubar von der University of Colorado Boulder hat dazu nun einen zunächst ungewöhnlich erscheinenden Ansatz gewählt: Die Forscher erzeugten Bausteine mithilfe von Bakterien.

Forscher bei der Arbeit: Die Wissenschaftler erzeugten Bausteine mithilfe von Bakterien

Forscher bei der Arbeit: Die Wissenschaftler erzeugten Bausteine mithilfe von Bakterien

Foto: CU BOULDER COLLEGE OF ENGINEERING & APPLIED SCIENCE

"Wir nutzen im Baugewerbe bereits Werkstoffe aus der Natur, etwa Holz. Das ist aber nicht mehr am Leben", sagt Srubar. "Unser Ziel war es, ein lebendiges Material zu erzeugen und von den Fähigkeiten der enthaltenen Organismen zu profitieren."

Material so hart wie Mörtel

Das Team stellte dazu zunächst ein Gerüst aus Sand und einem Hydrogel her und siedelte darauf eine Spezies Cyanobakterien an. Die Organismen der Gattung Synechococcus können Fotosynthese betreiben. Um Energie zu gewinnen, nehmen sie Kohlendioxid (CO2) auf und produzieren dabei Kalk - einen Bestandteil von Zement.

Das Hydrogel im Gerüst lieferte im Versuch Feuchtigkeit und Nährstoffe für die Bakterien, sodass sie wachsen konnten und Kalk produzierten. Zusammen mit dem Sand und der Flüssigkeit entstand ein Material, das ähnlich hart war wie Mörtel. "Man kann auf das Material drauftreten und es zerbricht nicht", sagt Srubar. Seine Forschung wurde von der Defense Advanced Research Projects Agency des amerikanischen Verteidigungsministeriums unterstützt.

Die Bausteine pflanzten sich fort

Die Bakterien blieben in dem Versuch am Leben und pflanzten sich sogar fort, berichten die Forscher im Fachmagazin "Matter" . Als die Wissenschaftler einen ihrer Bausteine zerbrachen, wuchs er mithilfe von etwas zusätzlichem Sand, Nährstoffen und Hydrogel, das die Form vorgab, wieder zu einem vollständigen Brocken heran.

Statt immer wieder neue Bausteine zu produzieren, vermehrten die Forscher so mehrfach ein einziges Bauteil. Über drei Generationen zerbrachen sie die Steine und zogen sie wieder auf die volle Größe heran. So entstanden acht neue Bauteile.

Sand-Hydrogel-Gerüst: Die Bakterien produzieren Kalk und mineralisieren den feuchten Sand, eine Art Mörtel entsteht

Sand-Hydrogel-Gerüst: Die Bakterien produzieren Kalk und mineralisieren den feuchten Sand, eine Art Mörtel entsteht

Foto: CU BOULDER COLLEGE OF ENGINEERING & APPLIED SCIENCE

Nach 30 Tagen waren in den neuen Bauteilen noch 9 bis 14 Prozent der Bakterien am Leben. In anderen Versuchen, bei denen Bakterien in reinem Zement wachsen sollten, habe die Rate bei unter einem Prozent gelegen, schreiben die Forscher. Sie hoffen, dass sich mithilfe ihrer neuen Technik künftig auch selbst heilende Baumaterialien erzeugen lassen.

Kein Modell für trockene Weltregionen

"Unsere Studie stellt die konventionellen Methoden infrage, mit denen Baustoffe bislang erzeugt werden", sagt Srubar. In Zukunft könnten Unternehmen Kunden etwa mit ausgetrockneten Bio-Baumaterialien beliefern. Mit Wasser vermischt, könne dann vor Ort ein Haus heranwachsen.

Ein Vorteil wäre dabei auch, dass sich die Biobausteine exponentiell vermehren: Aus einem Bauteil werden zwei, aus zwei werden vier, aus vier werden acht - und so weiter.

"Unsere Studie stellt die konventionellen Methoden infrage, mit denen Baustoffe bislang erzeugt werden."

Wil Srubar, University of Colorado Boulder

Noch stehen die Forscher mit ihrer Entwicklung allerdings am Anfang. Zwar halten sie ihren Ansatz für vielversprechend, noch gibt es den Biobeton aber nirgends zu kaufen.

Problematisch ist beispielsweise, dass die Bakterien nur in feuchter Umgebung überleben. In trockenen Gebieten ist es bislang kaum möglich, sie feucht zu halten. Srubar und sein Team suchen deshalb nun nach Mikroorganismen, die Kalk produzieren und Trockenheit standhalten. Möglicherweise lassen sich diese auch mithilfe von Gentechnik im Labor erzeugen.

jme