ETH Zürich druckt Mineralstrukturen mit Bakterien als Alternative zu Zement

Karen Antorveza Paez, die kürzlich an der Architekturabteilung der ETH Zürich promoviert hat, verbindet Bakterien mit digitaler Fertigung, um kalksteinartige Bauelemente ohne Zement herzustellen. Ein Weg ist der 3D-Druck einer Biotinte, der andere robotisches Sprühen. Vorerst eignet sich das Material für nicht tragende Teile wie Fassaden und Trennwände.

Kontext Bei der Biozementierung lassen Bakterien zwischen Sandkörnern ineinandergreifende Calcit-Kristalle (Kalziumkarbonat) wachsen und verfestigen so losen Sand.

Wie funktioniert der gedruckte Biozement?

Die Biotinte kombiniert Hydrogel, Alginat, Xanthan, Sand und lebende Sporosarcina-pasteurii-Bakterien. Sie wird zu einer filigranen Freiformstruktur extrudiert, vergleichbar mit einem Grünling. Anschließend kommt die Struktur in ein Bad aus Harnstoff und Calciumchlorid. Die Bakterien spalten den Harnstoff mit dem Enzym Urease, es entstehen Karbonat-Ionen, die mit Calciumchlorid zu Calciumcarbonat, also Kalkstein, reagieren.

Wie lange dauert es, und wofür taugt es?

Je nach geforderter Festigkeit dauert der Prozess zwei bis fünf Tage, mit täglich frischem Bad. Danach wird das Teil getrocknet. Die Forscherin beschreibt das Ergebnis als eher mörtel- als betonähnlich, daher eignet es sich derzeit für nicht tragende Elemente wie Fassaden oder Trennwände. Die Steuerung der Eigenschaften braucht weitere Arbeit.

Was ist das robotische Sprühverfahren?

Ein Roboterarm sprüht abwechselnd Bakterien, Mineralisationsstoffe und Sand auf eine Fläche, angelehnt an Stromatolith-Schichten. Es bietet weniger Gestaltungsfreiheit als der Druck, könnte aber für Oberflächen genutzt werden.

Was das bedeutet

Dies ist frühe Forschung, kein Produkt. Für Hersteller und Baufirmen in der EU zählen die bisher genannten Grenzen: mörtelähnliche Eigenschaften, keine tragende Nutzung und ein Zyklus von zwei bis fünf Tagen mit täglichem Badwechsel. Zu Kosten, Maßstab oder Zulassung liegen keine Daten vor, ein Business Case lässt sich daher noch nicht rechnen. Als CO2-arme Option für Fassaden- und Trennwandelemente bleibt der Ansatz beobachtenswert.

Häufige Fragen

Warum sucht man Alternativen zu Zement?

Zement verursacht rund 7 % der weltweiten CO2-Emissionen, bedingt durch die Klinkerherstellung und das Kalzinieren von Kalkstein.

Kann das bakterienbasierte Material Lasten tragen?

Noch nicht. Es ähnelt eher Mörtel als Beton und eignet sich für nicht tragende Elemente wie Fassaden oder Trennwände.

Wie lange härtet das gedruckte Teil aus?

Zwei bis fünf Tage, je nach geforderter Festigkeit, wobei die Struktur täglich in ein frisches Bad aus Harnstoff und Calciumchlorid kommt.