BioPykrete: „Super-Eis“ ist zehnmal stärker als normales Eis – und könnte Beton in Polarregionen ersetzen

BioPykrete ist wie Beton aus Wasser – zumindest bei der Druckfestigkeit kommt das neue Material dieser Vorstellung erstaunlich nahe. Wissenschaftler der Hebrew University of Jerusalem haben Eis so verstärkt, dass es im Labor etwa zehnmal höheren Belastungen standhielt als gewöhnliches Eis. Dafür genügen neben Wasser winzige Cellulosekristalle und ein speziell entwickeltes Protein.

Noch bemerkenswerter ist, was passiert, wenn die Belastung zu groß wird. Gewöhnliches Eis kann durch einen einzigen Riss schlagartig zerbrechen. BioPykrete gibt dagegen nach und verformt sich schrittweise. Bis zum Versagen kann es rund 70-mal mehr Energie aufnehmen als reines Eis. Hinter dieser ungewöhnlichen Eigenschaft steckt ein fein verzweigtes Gerüst aus Cellulose, das Risse im Eis ausbremst. Die Wissenschaftler beschreiben das Material im Fachjournal Colloids and Surfaces B: Biointerfaces.

BioPykrete baut ein Gerüst zwischen den Eiskristallen

Die Idee, Eis mit Pflanzenfasern zu verstärken, ist mehr als 80 Jahre alt. Im Zweiten Weltkrieg entstand Pykrete, eine Mischung aus Eis und Holzfasern. Das neue BioPykrete übernimmt dieses Prinzip, arbeitet jedoch mit viel kleineren Strukturen. Statt Holzfasern verwenden die Wissenschaftler Cellulose-Nanokristalle, kurz CNC.

Diese winzigen, steifen Teilchen bestehen aus Cellulose, die auch Pflanzen Stabilität verleiht. Beim gerichteten Gefrieren schiebt die wachsende Eisfront die Nanokristalle zusammen. Sie ordnen sich zwischen den Eisbereichen zu einem dreidimensionalen Netzwerk an. Es entsteht eine Struktur aus vielen kleinen Zellen, die Eis umschließen.

Ein Protein verbindet Eis und Cellulose

Für eine festere Verbindung entwickelten die Wissenschaftler ein besonderes Protein namens CBM3a-AFPIII. Es besteht aus zwei Teilen mit unterschiedlichen Aufgaben:

AFPIII bindet an Eis. Dieser Teil basiert auf einem Frostschutzprotein des „Ocean Pout“, eines Fisches aus eisigen Meeresregionen.
CBM3a bindet an kristalline Cellulose. Das Proteinmodul stammt ursprünglich aus einem Bakterium.
Beide Teile zusammen bilden eine molekulare Brücke. Sie verankert das Cellulosenetz direkt am Eis.

Für ihre Studie stellten die Wissenschaftler das kombinierte Protein mithilfe gentechnisch veränderter E. coli-Bakterien her. Auch größere Mengen ließen sich im Fermenter produzieren. Aus einem Liter Nährmedium gewannen sie rund 0,8 Gramm gereinigtes Protein.

„Wir wollten über das einfache Einmischen von Fasern in Eis hinausgehen und stattdessen kontrollieren, wie sich die verschiedenen Materialien auf molekularer Ebene miteinander verbinden“, erklärt Studienleiter Ido Braslavsky. Das Protein dient dabei als eine Art molekularer Klebstoff zwischen zwei sehr unterschiedlichen Materialien.

So sieht das „Super-Eis“ von innen aus: Die Aufnahmen (a–c) zeigen bei 40- und 90-facher Vergrößerung ein feines Gerüst aus Cellulose. Die Grafik (d) zeigt, wie sich die Größe der Hohlräume verändert, wenn zusätzlich ein Protein die Cellulose mit dem Eis verbindet. Dafür untersuchten die Wissenschaftler jeweils acht Bereiche der Proben. © ScienceDirect — © Adar et al., 2026 / Elsevier, CC BY-NC 4.0 So sieht das „Super-Eis“ von innen aus: Die Aufnahmen (a–c) zeigen bei 40- und 90-facher Vergrößerung ein feines Gerüst aus Cellulose. Die Grafik (d) zeigt, wie sich die Größe der Hohlräume verändert, wenn zusätzlich ein Protein die Cellulose mit dem Eis verbindet. Dafür untersuchten die Wissenschaftler jeweils acht Bereiche der Proben. © Adar et al., 2026 / Elsevier, CC BY-NC 4.0

Kleine Kammern halten Risse auf

Die innere Struktur verändert vor allem, wie sich ein Schaden im Eis ausbreitet. In gewöhnlichem Eis kann ein Riss weitgehend ungehindert durch das Material laufen. Das Cellulosenetz stellt ihm dagegen immer wieder Barrieren in den Weg.

Risse entstehen auch im BioPykrete. Sie bleiben nach der Erklärung der Wissenschaftler jedoch häufig auf einzelne Zellen des Netzwerks begrenzt. Für eine weitere Ausbreitung muss das Cellulosegerüst verschoben, verformt oder zerrissen werden. Dafür ist zusätzliche Energie nötig. Aus dem abrupten Bruch von Eis wird so eine langsamere, schrittweise Verformung.

Das Protein macht BioPykrete nochmals deutlich fester

Für die Belastungstests froren die Wissenschaftler zylindrische Proben mit zwei Zentimetern Durchmesser und einem Zentimeter Höhe ein. Anschließend presste eine Prüfmaschine die Proben parallel zur Wachstumsrichtung des Eises zusammen. Für jede der vier untersuchten Materialvarianten kamen fünf Proben zum Einsatz.

Der Vergleich trennte den Einfluss der einzelnen Bestandteile voneinander. Schon Cellulose-Nanokristalle veränderten das Eis deutlich. Proben mit CNC konnten sich fünf- bis zehnmal stärker verformen, bevor sie versagten. Verband das Chimärenprotein anschließend Cellulose und Eis miteinander, stieg die Festigkeit gegenüber der Variante ohne diese Bindung nochmals etwa um das Doppelte.

Auch die enorme Energieaufnahme aus dem Einstieg lässt sich auf diese Struktur zurückführen. Für reines Eis ermittelten die Wissenschaftler etwa 20 Kilojoule pro Kubikmeter bis zur festgelegten Versagensgrenze. Beim BioPykrete lag dieser Wert insgesamt rund 70-mal höher.

In Polarregionen wird Beton zum Problem

Die Wissenschaftler sehen in BioPykrete einen möglichen Baustoff für Arktis und Antarktis. Wasser beziehungsweise Eis steht dort vor Ort zur Verfügung. Herkömmliche Baustoffe müssen dagegen teilweise über große Entfernungen transportiert werden. Noch schwieriger wird es, Beton unter extrem kalten Bedingungen zu verarbeiten.

Nach Angaben der Wissenschaftler muss Beton beim Gießen und Aushärten etwa 30 Tage lang bei mehr als fünf Grad Celsius gehalten werden, damit er seine volle Festigkeit erreicht. In Polarregionen erfordert das Dämmung, Wärme und eine ständige Kontrolle. Wiederholtes Gefrieren und Auftauen kann Beton anschließend zusätzlich schädigen.

Ein weiterer Vorteil liegt in den Ausgangsstoffen. Cellulose-Nanokristalle können aus pflanzlicher Biomasse gewonnen werden; die Autoren nennen auch Biomasseabfälle als mögliche Quelle. Damit besteht BioPykrete größtenteils aus Materialien, die entweder vor Ort vorhanden oder aus nachwachsenden Rohstoffen herstellbar sind.

Für Bauwerke fehlen BioPykrete noch wichtige Tests

Bislang haben die Wissenschaftler BioPykrete nur an kleinen Laborproben getestet. Zudem pressten sie die Proben parallel zur Wachstumsrichtung des Eises zusammen. Für diese Richtung erwarteten sie die höchste Festigkeit.
Wie sich das Material über Jahre und unter wechselnden Bedingungen verhält, ist noch offen.

Untersucht werden müssen unter anderem Langzeithaltbarkeit, wiederholte Frost-Tau-Zyklen und das sogenannte Kriechen. Dabei verformt sich ein Material unter dauerhafter Belastung langsam. Auch eine vollständige Lebenszyklusanalyse steht noch aus.

Weitere Versuche sollen klären, wie Risse im Inneren entstehen und sich ausbreiten. Mit Hochgeschwindigkeits-Röntgentomografie könnten die Wissenschaftler solche Schäden künftig dreidimensional verfolgen. Außerdem wollen sie die Gefrierverfahren optimieren und andere Varianten des verbindenden Proteins testen.

Kurz zusammengefasst:

BioPykrete erreicht im Labor etwa die zehnfache Druckfestigkeit von reinem Eis und kommt damit in den Bereich von Standardbeton.
Cellulose-Nanokristalle und ein speziell entwickeltes Protein bilden im Eis ein Netzwerk, das Risse bremst und einen abrupten Bruch verhindert.
Das Material ist bisher ein Machbarkeitsnachweis: Für einen Einsatz in Polarregionen fehlen noch Langzeit-, Frost-Tau- und Praxistests.

Übrigens: Nicht nur Eis könnte zum ungewöhnlichen Baustoff für extreme Orte werden: Forscher entwickeln aus Sand, Gelatine und Hefe ein Material für Häuser auf dem Mars. Es härtet unter marsähnlichen Bedingungen aus und erreicht im Labor eine ähnliche Festigkeit wie einfacher Beton – mehr dazu in unserem Artikel.

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