Zusammenfassung:
Forscher der Eidgenössischen Technischen Hochschule in Zürich haben eine neue Technologie zur Herstellung von Baumaterialien entwickelt, die lebende Bakterien nutzt, um lose Sandkörner zu starken Bauteilen zu verbinden. Im Gegensatz zur herkömmlichen Zementproduktion, die viel Energie verbraucht und bei hohen Temperaturen gebrannt wird, kann diese als Biozementierung bezeichnete Technologie die Mineralverfestigung bei Raumtemperatur abschließen und soll eine umweltfreundlichere Lösung für die Materialherstellung für die Bauindustrie darstellen.
Zement ist einer der wichtigsten Grundstoffe in der modernen Bauindustrie, aber die Herstellung von traditionellem Portlandzement erfordert das Erhitzen der Rohstoffe auf hohe Temperaturen, was viel Energie verbraucht und erhebliche Kohlendioxidemissionen verursacht. Daher war die Suche nach alternativen Materialien, die den Energieverbrauch und die CO2-Emissionen reduzieren können, schon immer eine wichtige Richtung im Bereich der Baustoffforschung. Der Kerngedanke dieser Forschung besteht nicht darin, den traditionellen Prozess des Zementbrennens neu zu gestalten, sondern die Stoffwechselaktivitäten von Mikroorganismen selbst zu nutzen, um natürliche Mineralien zwischen Sandkörnern zu bilden und die ursprünglich losen Partikel zu einem Ganzen mit einer bestimmten Festigkeit zu verbinden.
Das vom Forschungsteam verwendete Bakterium heißt Sporosarcina pasteurii. Unter den richtigen Bedingungen kann dieses Bakterium die Bildung von Calciumcarbonat fördern. Calciumcarbonat kommt häufig in natürlichen Materialien wie Kalkstein, Kreide und Muscheln vor. Wenn es ausfällt und zwischen den Sandkörnern winzige Kristalle bildet, fungiert es als mineralisches Bindemittel und verbindet die Sandkörner zu einem festen Material mit einer bestimmten Festigkeit.
Dieser Prozess wird als mikrobiell induzierte Calciumcarbonat-Fällung oder MICP bezeichnet und ist auch als Biozementierungstechnologie bekannt. Zuvor haben Forscher versucht, es in Bereichen wie Bodenverstärkung, Fundamentstabilisierung und Betonrissreparatur einzusetzen. Das Besondere an dieser Forschung der ETH Zürich ist, dass sie versucht, Sand direkt zu eigenständigen Baumaterialien zu verarbeiten, anstatt nur Bakterien zu verwenden, um die Eigenschaften vorhandener Materialien zu verbessern.
Das Forschungsteam unter der Leitung von Karen Antorveza Paez schlug zwei Herstellungsmethoden vor. Die erste Methode kombiniert Biozementierungstechnologie mit 3D-Druck. Die Forscher entwickelten einen speziellen Bioink, der Wasser, Sand, lebende Bakterien und verwandte chemische Inhaltsstoffe enthält. Die Mischung hat eine gelartige Konsistenz und kann mithilfe von 3D-Druckgeräten in vorgegebene Formen geformt werden, um strukturell komplexe Bauteile herzustellen.
Nach dem Drucken müssen die Bauteile etwa drei Tage lang in eine Lösung mit Harnstoff und Calciumchlorid getaucht werden. Dabei fördern Bakterien die Bildung von Mineralkristallen, die die Sandkörner nach und nach zusammenfügen. Anschließend werden die Bausteine etwa zwei Tage lang bei Raumtemperatur getrocknet, die Bakterien bleiben nicht mehr aktiv und es bildet sich schließlich eine feste Struktur. Der gesamte Prozess, vom Drucken bis zur vollständigen Aushärtung, dauert bis zu etwa fünf Tage und erfordert nicht den Einsatz herkömmlicher Hochtemperatur-Brenngeräte.
Die Forscher verglichen den Prozess mit dem Backen eines Kuchens: Das ursprünglich geformte Material bleibt weich und leicht verformbar und erfordert eine anschließende Verarbeitung, um eine feste Struktur zu erreichen. Der Unterschied besteht darin, dass das traditionelle Backen auf Hitze angewiesen ist, um die Aushärtung abzuschließen, während diese Technologie auf Bakterien beruht, um die Mineralproduktion zu fördern und eine ähnliche Umwandlung bei Raumtemperatur durchzuführen.
Die zweite Methode nutzt die Robotersprühtechnologie. Der Roboterarm sprüht nacheinander Sand, Bakterien und für die Mineralisierung benötigte Materialien auf die Zieloberfläche und bildet durch wiederholte Überlagerung eine mehrschichtige Struktur. Während sich das Kalziumkarbonat bildet, verbinden sich die Sandschichten zu einer festen Oberfläche oder einem Bauteil. Das Forschungsteam ließ das System sechs Monate lang ununterbrochen laufen und demonstrierte damit sein Potenzial, die Arbeit zu automatisieren und die Abhängigkeit von ständigem menschlichem Eingreifen zu verringern.
Beide Methoden haben ihre eigenen anwendbaren Szenarien. Der 3D-Druck eignet sich besser für die Herstellung von Bauteilen mit komplexen Formen und spezifischen Geometrien, während das Roboterspritzen besser geeignet ist, um Materialien Schicht für Schicht auf die Oberfläche zu bringen. Das Forschungsteam hat diese Technologie genutzt, um Gebäudefassadenkomponenten zu erstellen, die voraussichtlich in Zukunft in Gebäudekomponenten wie Beschattungsanlagen und Trennwänden zum Einsatz kommen werden.
Allerdings ist diese Technologie noch weit von einer großtechnischen kommerziellen Anwendung entfernt. Ein wichtiges Thema sind Nebenprodukte aus dem Herstellungsprozess. Mineralisierte Lösungen, die in 3D-Druckverfahren verwendet werden, erzeugen Substanzen auf Ammoniumbasis, die bei unsachgemäßer Handhabung schädlich für die Umwelt sein können. Forscher müssen wirksame Recycling- oder Neutralisierungsmethoden finden, um die Produktion weiter zu steigern, andernfalls könnten die Umweltvorteile dieses Materials begrenzt sein.
Die Materialfestigkeit ist ebenfalls ein zentrales Problem, das gelöst werden muss. Derzeit geht das Forschungsteam davon aus, dass diese Art von Biozement eher Mörtel ähnelt als ein Strukturmaterial, das tragenden Beton direkt ersetzen kann. Mörtel wird hauptsächlich zum Verkleben von Ziegeln und zum Füllen von Fugen verwendet, während Beton häufig in tragenden Strukturen wie Böden, Säulen und Fundamenten verwendet wird. Um Biozement in einem breiteren Spektrum von Bauprojekten einzusetzen, ist eine weitere Überprüfung seiner mechanischen Eigenschaften, Langzeitbeständigkeit und Stabilität unter verschiedenen Umgebungsbedingungen erforderlich.
Darüber hinaus beeinflussen die Größe der Sandkörner und die Art und Weise, wie die Körner angeordnet sind, die Eigenschaften des Endmaterials. Forscher erforschen immer noch, wie sie durch die Anpassung von Rohstoffen und Herstellungsparametern stabilere Festigkeits- und Struktureigenschaften erreichen können. Dies bedeutet, dass zukünftige Forschungen nicht nur den Prozess der bakteriell induzierten Mineralisierung verbessern müssen, sondern auch Standards für Materialdesign und Qualitätskontrolle festlegen müssen, die für verschiedene Bauanwendungen geeignet sind.
Trotz dieser Einschränkungen zeigt diese Forschung eine neue Richtung in der Baustoffherstellung auf: die Umwandlung natürlicher körniger Materialien in Bauteile mit spezifischen Formen und Eigenschaften durch den Einsatz von Mikroorganismen, die das Wachstum von Mineralien zwischen Partikeln steuern. Wenn in Zukunft Probleme wie die Behandlung von Nebenprodukten, die Materialfestigkeit und die Produktion in großem Maßstab gelöst werden können, wird erwartet, dass die Biozementierungstechnologie bei der Herstellung einiger traditioneller Mörtel und Baukomponenten zum Einsatz kommt und so die Abhängigkeit von energieintensiven Herstellungsprozessen verringert wird.
Im Vergleich zum direkten Ersatz von herkömmlichem Beton besteht ein realistischeres kurzfristiges Ziel dieser Technologie darin, zunächst Anwendungsbereiche wie nicht haupttragende Komponenten und Gebäudeoberflächenmaterialien zu erschließen. Die Ergebnisse des Forschungsteams zeigen, dass Bakterien nicht nur an der Bodenverstärkung und Gebäudereparatur beteiligt sein können, sondern auch zu einem Werkzeug für die Herstellung neuer Baumaterialien werden können, was einen weiteren technischen Weg zur Reduzierung des Energieverbrauchs und der Kohlenstoffemissionen in der Bauindustrie darstellt.
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