Bakterien anstelle von Zement für unsere Bauten, das ist möglich!

Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts in Deutschland haben eine innovative Methode entwickelt, um biogenes Baumaterial aus Cyanobakterien herzustellen, die früher als Blaualgen bekannt waren. Dieser Fortschritt könnte die Bauindustrie revolutionieren, indem er eine nachhaltige Alternative zu herkömmlichem Zement bietet und gleichzeitig die CO₂-Emissionen reduziert.


Die Bauindustrie steht vor einer großen Herausforderung: Zement, Hauptbestandteil des weit verbreiteten Betons, trägt aufgrund seiner hohen Kohlendioxidemissionen erheblich zum Klimawandel bei. So führte die Zementproduktion in Deutschland im Jahr 2018 zu etwa 20 Millionen Tonnen CO₂, was laut Umweltbundesamt (UBA) fast 10% der nationalen Industrieemissionen ausmacht.

Um dieses Umweltproblem anzugehen, haben Forscher der Fraunhofer-Institute für Keramische Technologien und Systeme (IKTS) und für Elektronen- und Plasmatechnologien (FEP) das Projekt "BioCarboBeton" entwickelt. Dieses Projekt stellt eine biologische Produktionsmethode vor, die nicht nur die Kohlenstoffemissionen eliminiert, sondern auch atmosphärisches CO₂ im Herstellungsprozess nutzt.

Im Zentrum dieser Methode stehen Cyanobakterien, die zur Photosynthese fähig sind. Durch das Zusammenspiel von Licht, Feuchtigkeit und Temperatur bilden diese Mikroorganismen Strukturen, die Stromatolithen ähneln und hauptsächlich aus Kalk bestehen. Diese biogenen Strukturen existieren seit 3,5 Milliarden Jahren in der Natur und zeugen von der Robustheit und Langlebigkeit dieses biologischen Prozesses.

Die Forscher haben es geschafft, diesen natürlichen Prozess durch einen fortschrittlichen technologischen Ansatz nachzubilden. Dr. Matthias Ahlhelm vom IKTS überwacht die Entwicklung der Materialien und Prozesse sowie die Auswahl der Füll- und Bindemittel. Parallel dazu ist das Team von Dr. Ulla König am FEP für die Kultivierung der Cyanobakterien, die mikrobiologische Analyse und die Steigerung der Biomasseproduktion verantwortlich.

Die Produktion beginnt mit der Kultivierung der lichtempfindlichen Cyanobakterien in einer Nährlösung. Um die Mineralisierung und die Bildung stromatolithischer Strukturen zu ermöglichen, werden der Bakterienlösung Calciumquellen wie Calciumchlorid zugesetzt. Ein Gemisch aus Hydrogelen und verschiedenen Füllstoffen, wie unterschiedliche Sandarten, wird vorbereitet, während zusätzliches CO₂ eingebracht wird, um den Prozess zu unterstützen.

Die bakterielle Mischung wird dann homogenisiert und in durchsichtige Formen gegossen, die es ermöglichen, dass die metabolischen und photosynthetischen Prozesse weiter ablaufen. Die anschließende Mineralisierung führt zur endgültigen Verfestigung des Materials. Alternativ können poröse Substrate hergestellt und mit der Cyanobakterienkultur behandelt werden, was eine Flexibilität bei potenziellen Anwendungen wie Isolierung, Ziegel, Schalungsfüllungen und sogar Mörtel oder Stuck bietet.

Das Projekt BioCarboBeton zielt darauf ab, die materiellen und mechanischen Eigenschaften der produzierten biogenen Materialien zu bestimmen und die Produktion zu skalieren. Aktuell arbeiten die Forscher mit Biogas und anderen Calciumquellen wie Basalt und Bergbaurückständen, um auch kreislaufwirtschaftliche Prozesse für eine nachhaltige und effiziente Produktion zu erforschen.

Nachdem der Prozess etabliert und getestet wurde, arbeitet das Forscherteam des Fraunhofer-Instituts nun daran, die Produktionsvolumina zu erhöhen und die notwendigen Festigkeitseigenschaften für eine großflächige Fertigung dieser ökologischen Materialien zu definieren. Dr. Ahlhelm und Dr. König sind überzeugt, dass ihre Methode den Weg für vielversprechende biologische Technologien für eine Kreislaufwirtschaft eröffnet, nicht nur im Bausektor, sondern auch darüber hinaus.