Hefe statt Beton: Forscher entwickeln 3D-druckbaren Bio-Baustoff für Häuser auf dem Mars

Auf dem Mars ein Haus zu bauen, klingt schon deshalb verrückt, weil fast alles dagegen spricht: Es ist bitterkalt, die Atmosphäre ist extrem dünn und jedes Baumaterial müsste zunächst Millionen Kilometer durchs All transportiert werden. Doch ausgerechnet die lebensfeindliche Umgebung könnte beim Bauen helfen. Forscher aus Hongkong haben einen Baustoff aus Sand, Gelatine und gentechnisch veränderter Hefe entwickelt, der sich unter marsähnlichen Bedingungen im 3D-Druck formen und durch Kälte und niedrigen Druck aushärten lässt. Wer eines Tages ein Haus auf dem Mars bauen will, könnte dafür also weniger Zement und Stahl brauchen – dafür aber Hefe.

Hinter dem Ansatz steht ein Team um Bauingenieur Jishen Qiu von der Hong Kong University of Science and Technology. Die Ergebnisse erschienen in Chem Circularity. Bislang handelt es sich um einen Laborversuch im Miniaturformat: Die gedruckte Struktur war nur 25 Millimeter hoch und 15 Millimeter breit.

So könnte man ein Haus auf dem Mars bauen

Der entscheidende Trick beginnt mit Wasser. Sobald das feuchte Material in die kalte Umgebung gelangt, friert es. Durch den extrem niedrigen Druck geht das Eis anschließend direkt in Wasserdampf über. Flüssig wird es dazwischen nicht. Diese Sublimation hinterlässt ein poröses Gerüst, das die Sandkörner miteinander verbindet. Größere Probekörper ließen die Forscher unter noch extremeren Bedingungen 48 Stunden lang aushärten.

„Meine Inspiration kam von gefriergetrockneten Früchten, die härter werden“, sagt Qiu. Als Binder dient eine Mischung aus Gelatine und Saccharomyces cerevisiae. Die Forscher veränderten die Hefe genetisch, damit ihre Oberfläche besonders gut haftet. Dafür nutzten sie unter anderem Proteine nach dem Vorbild von Muscheln. Die Zellen verbessern dadurch die Verbindung zum Sand. Gleichzeitig sorgen sie beim Gefrieren für kleinere und gleichmäßigere Poren.

Die Hefe macht das Material fester

Am besten schnitt eine Mischung ab, bei der biologische Bestandteile rund ein Viertel der festen Binderbestandteile ausmachten. Sie erreichte im Mittel etwa zwölf Megapascal Druckfestigkeit und sechs Megapascal Biegefestigkeit. Beim Biegen lag das Material damit über einem vergleichbaren leichten Portlandzement-Beton.

Gegenüber einer Variante ohne biologische Bestandteile stieg die Druckfestigkeit der optimalen Mischung um rund 170 Prozent. Entscheidend ist dabei vor allem das Hefezell-Protein AGA2. Es verbessert die Verbindung zwischen Binder und Körnern und beeinflusst die entstehende Porenstruktur. Eine Variante ganz ohne Gelatine funktionierte ebenfalls, blieb aber deutlich schwächer. Die leistungsfähigste Rezeptur braucht daher weiterhin Gelatine aus Schweinehaut und Nährstoffe von der Erde.

Marskälte könnte beim Bauen viel Energie sparen

Andere Konzepte setzen darauf, Marsregolith auf mehr als 1000 Grad Celsius zu erhitzen und zu sintern. Dafür wären Öfen, Laser oder Mikrowellensysteme nötig. Der neue Ansatz kommt ohne diese Hochtemperaturbehandlung aus.

Für die eigentliche Materialverarbeitung errechnen die Autoren einen Energiebedarf von etwa 0,02 bis 0,12 Gigajoule pro Kubikmeter. Damit könnte das Verfahren auf dieser Ebene mehrere Dutzend Mal weniger Energie benötigen als einige Sinterverfahren.

Die Rechnung ist allerdings noch keine vollständige Energiebilanz. Hefezucht, Bioreaktoren, Pumpen, Temperaturkontrolle, Wasseraufbereitung und Nährstoffversorgung sind nicht vollständig berücksichtigt. Wie groß der Vorteil im realen Betrieb wäre, lässt sich deshalb noch nicht beziffern.

Der Baustoff lässt sich mehrfach neu verwenden

Auch beim Recycling schnitt das Material im Labor bemerkenswert stabil ab. Die Forscher zerbrachen bereits ausgehärtete Proben und stellten daraus neues Baumaterial her. Nach vier Wiederaufbereitungszyklen erreichte es noch rund 11,8 Megapascal Druckfestigkeit. Auch der Elastizitätsmodul blieb mit etwa 430 Megapascal weitgehend erhalten. In den Proben lebten weiterhin Hefezellen.

„Solange noch eine Hefezelle lebt, kann man sie wieder vermehren“, sagt Qiu. Für eine Marsstation wäre das attraktiv: Ein Teil des Bindematerials ließe sich theoretisch wiederverwenden oder biologisch vermehren, statt ständig Nachschub von der Erde zu benötigen.

Bis zum Mars-Haus fehlen noch entscheidende Tests

Von einem bewohnbaren Gebäude ist das Verfahren trotzdem weit entfernt. Neben der geringen Größe der bisherigen Druckversuche fehlen noch Daten zu mehreren Eigenschaften:

Wie widerstandsfähig ist das Material gegen Marsstrahlung?
Wie gut hält es Wärme und Druck im Inneren?
Wie lange bleiben Festigkeit und Hefe unter realen Marsbedingungen erhalten?
Wie gut schützt die Struktur vor Rissen, Temperaturschwankungen und Einschlägen?

Für eine bewohnbare Konstruktion rechnen die Autoren ohnehin mit einer zusätzlichen gasdichten Innenmembran. Auch Zugfestigkeit, Durchlässigkeit, Wärmeleitfähigkeit, Strahlenschutz und Langzeitbeständigkeit müssen noch genauer untersucht werden.

Die bisherigen Versuche liefern deshalb noch keinen Bauplan für eine Marsstadt. Sie belegen aber einen ungewöhnlichen technischen Ansatz: Ein Baustoff lässt sich unter Mars-ähnlicher Kälte und extrem niedrigem Druck drucken, erreicht im Labor die Festigkeit einfachen Betons und kann mehrfach wiederverwendet werden.

Hefe wird auch auf der Erde zum Baustoff

Hefe könnte nicht nur auf dem Mars beim Bauen helfen. Forscher der Chalmers University of Technology in Schweden haben bereits einen vollständig biobasierten Baustoff aus Bäckerhefe, Holzfasern, Algen und Wasser entwickelt. Die gelartige Masse lässt sich bei Raumtemperatur im 3D-Drucker formen und eignet sich bislang vor allem für leichte Bauteile wie Wandpaneele, Raumteiler oder Sonnenschutz.

Anders als beim Mars-Material bleiben die Hefezellen dabei nicht aktiv: Sie werden vor der Verarbeitung erhitzt und liefern anschließend vor allem Biomasse und Struktur. Der Ansatz zielt weniger auf tragende Wände als auf einen ressourcenschonenden Innenausbau. Perspektivisch könnten dafür sogar Reststoffe aus Brauereien oder der Landwirtschaft genutzt werden.

Kurz zusammengefasst:

Forscher haben einen 3D-druckbaren Baustoff aus Sand, Gelatine und gentechnisch veränderter Hefe entwickelt, der unter marsähnlichen Bedingungen aushärtet.
Die beste Mischung erreichte im Labor rund 12 Megapascal Druckfestigkeit und ließ sich mehrfach wiederaufbereiten, ohne deutlich an Stabilität zu verlieren.
Bis zu einem bewohnbaren Mars-Haus fehlen noch wichtige Tests zu Strahlung, Dichtigkeit, Wärmeisolierung, Langzeitstabilität und dem realen Energiebedarf.

Übrigens: Nicht nur auf dem Mars sollen lokale Rohstoffe beim Bauen helfen – auch China testet Fasern aus echtem Mondboden für künftige Stationen. Aus nur 0,5 Gramm Material entstand bereits eine rund drei Meter lange Faser. Mehr dazu in unserem Artikel.