Bakterien statt Zement: Forscher machen Sand 21-mal biegefester und stellen erste Bauteile her

Sand gehört zu den unscheinbarsten Materialien der Erde. Milliarden winziger Körner liegen lose nebeneinander. Doch manche Bakterien besitzen eine erstaunliche Fähigkeit: Sie können die Bildung von Kalkkristallen auslösen, die einzelne Körner miteinander verbinden und aus lockerem Sand festes Material machen. Forschern ist es nun gelungen, diesen natürlichen Prozess mit einem 3D-Drucker gezielt zu steuern.

In Laborversuchen erreichten die so hergestellten Proben eine 21-mal höhere Biegefestigkeit als vergleichbare Proben ohne Bakterien. Mit Bakterien statt Zement haben Forscher nun ein Verfahren entwickelt, das die Herstellung von Fassaden und anderen Bauteilen ohne energieintensives Brennen ermöglicht.

Ein Forschungsteam der ETH Zürich hat dafür eine Druckmasse aus Sand, natürlichen Bindemitteln und lebenden Bakterien entwickelt. Nach dem 3D-Druck verbinden winzige Kalkkristalle die Sandkörner zu festen Strukturen – ohne Brenntemperaturen von mehr als 1000 Grad Celsius. Ein erstes Fassadenelement misst bereits 30 mal 20 mal 20 Zentimeter. Die im Fachjournal npj Materials Sustainability veröffentlichte Studie beschreibt, wie die Bakterien den Baustoff verfestigen.

Bakterien machen Bauteile widerstandsfähiger gegen Risse

Wie viel die winzigen Kalkkristalle bewirken, lässt sich messen. Bei den Biegeversuchen hielten die mit Bakterien behandelten Proben deutlich höheren Belastungen stand. Ihre Biegefestigkeit erreichte durchschnittlich 2,74 Megapascal. Ohne Bakterien waren es nur 0,13 Megapascal. Der Unterschied entspricht einer Steigerung auf etwa das 21-Fache.

Auch Risse breiteten sich im verfestigten Material weniger leicht aus. Die dafür benötigte Bruchenergie war rund 46-mal höher als bei den Vergleichsproben. Die Unterschiede waren statistisch signifikant. Allerdings untersuchten die Wissenschaftler nur wenige kleine Probekörper. Ob größere Bauteile ähnlich belastbar sind, muss sich erst noch erweisen.

Winzige Bakterien verkleben Sandkörner mit Kalk

Für die Herstellung nutzt das Team das Bakterium Sporosarcina pasteurii. Die Mikroorganismen werden mit Sand und pflanzlichen Bindemitteln zu einer dickflüssigen Masse vermischt. Ein Roboterarm presst sie durch eine Düse und baut daraus Schicht für Schicht die gewünschte Form auf.

Anschließend tauchen die Wissenschaftler das gedruckte Objekt in eine Flüssigkeit mit Harnstoff und Kalziumchlorid. Die Bakterien lösen dort eine chemische Reaktion aus, bei der Kalk entsteht. Winzige Kristalle wachsen zwischen den Sandkörnern und verbinden auch die einzelnen Druckschichten miteinander. So gewinnt das zunächst weiche Material an Festigkeit.

© Gerhard Bliedung / ETH Zürich Ein Roboterarm trägt abwechselnd Bakterien, Stoffe zur Kalkbildung und Sand auf. So wächst Schicht für Schicht eine feste Struktur, bei der Kalk die Sandkörner miteinander verbindet. © Gerhard Bliedung / ETH Zürich

Ausgerechnet mehr Hohlräume machen den Biozement stabiler

Überraschend ist, dass dicht gepackter Sand nicht unbedingt das stabilste Ergebnis liefert. Bei eng gedruckten Strukturen erreicht die Flüssigkeit hauptsächlich die äußeren Bereiche. Dort entsteht eine feste Kalkschicht, während das Innere vergleichsweise weich und schwach bleibt.

Bei locker gedruckten Gittern gelangt die Flüssigkeit dagegen tiefer ins Material. Dadurch bilden sich mehr Kalkkristalle. Die Wissenschaftler fanden deutliche Unterschiede:

31,4 Prozent Kalkanteil bei offen gedruckten Gittern, gegenüber 22,4 Prozent bei dicht gedruckten Strukturen.
Bis zu 86 Prozent höhere Druckfestigkeit durch die Bakterien bei den Gittern mit größeren Zwischenräumen.
Keine nachweisbare Verbesserung der Druckfestigkeit bei den dicht gedruckten Gittern.

Damit hängt die Stabilität nicht allein von der Menge des Materials ab. Entscheidend ist auch, wie gut die Flüssigkeit alle Bereiche erreicht und dort Kalk bilden kann.

Erste Fassadenelemente entstehen ohne Brennofen

Mit dem Verfahren haben die Wissenschaftler bereits ein geschwungenes Bauteil hergestellt. Es misst 30 Zentimeter in der Höhe sowie jeweils 20 Zentimeter in Breite und Tiefe. Seine durchbrochene Form lässt die Flüssigkeit leichter ins Innere gelangen. Solche Elemente könnten eines Tages an Fassaden Schatten spenden oder als Trennwände dienen.

Die eigentliche Verfestigung dauert im untersuchten Verfahren vier Tage. Anschließend trocknen die Bauteile. Anders als bei der Zementherstellung müssen die Ausgangsstoffe für die Kalkbildung nicht auf mehr als 1000 Grad Celsius erhitzt werden. Vollständig ohne Energie kommt die Herstellung allerdings nicht aus. Auch die Trocknung kann Wärme erfordern.

Für tragende Wände ist der Biozement noch zu schwach

Trotz der verbesserten Festigkeit kann das Material herkömmlichen Beton bislang nicht ersetzen. Bei den Druckversuchen hielten die Proben Belastungen von etwa 0,5 bis 2,2 Megapascal stand. Beton für tragende Gebäudeteile ist wesentlich belastbarer. Außerdem ist noch unklar, wie gut der Biozement dauerhaft Regen, Frost und Temperaturschwankungen übersteht.

Ein weiteres Problem entsteht während der Herstellung. Die Bakterien produzieren neben Kalk auch Ammonium. Dieser Stoff sammelt sich in der verwendeten Flüssigkeit und kann die Umwelt belasten. Für eine umweltfreundliche Produktion müsste er deshalb aufgefangen, entfernt oder wiederverwertet werden. Eine solche Lösung haben die Wissenschaftler noch nicht in ihr Druckverfahren eingebaut.

Hinzu kommt der Aufwand bei größeren Bauteilen. Dafür wären deutlich mehr Bakterien, Sand und chemische Lösungen nötig. Besonders schwierig wird es bei dicken Wänden: Je mehr Kalk sich außen ablagert, desto schlechter gelangt die Flüssigkeit ins Innere. Dort könnten schwache Stellen zurückbleiben.

Das Video zeigt, wie mithilfe lebender Bakterien ein Fassadenelement aus Sand entsteht. Die Mikroorganismen bilden Kalkkristalle, die das Material ohne Brennen bei hohen Temperaturen verfestigen. © Kai-Hsun Yeh und Kevin Seav / ETH Zürich via YouTube

Kurz zusammengefasst:

Bakterien statt Zement: Bestimmte Bakterien bilden Kalkkristalle, die Sandkörner miteinander verbinden und so die Herstellung fester Bauteile im 3D-Druck ermöglichen, ohne hohe Brenntemperaturen zu benötigen.
Deutlich höhere Festigkeit: In Laborversuchen waren die mit Bakterien behandelten Proben 21-mal biegefester als Vergleichsproben ohne Bakterien; größere Hohlräume verbesserten zudem die Kalkbildung und Druckfestigkeit.
Noch kein Ersatz für Beton: Erste Fassadenelemente wurden bereits hergestellt, doch für tragende Bauteile ist der Biozement noch zu schwach; Fragen zur Haltbarkeit und Umweltbelastung durch Ammonium sind ungeklärt.

Übrigens: Auch Forscher der Universität Stuttgart nutzen Bakterien, um Sand mithilfe von Kalkkristallen zu festem Biobeton zu verbinden. Dabei untersuchen sie auch menschlichen Urin als Rohstoff für die Herstellung. Mehr dazu in unserem Artikel.