Neubauten sind oft ein Grund zum Feiern, doch beim Blick auf die Klimabilanz der Baubranche, die zu den höchsten der Welt gehört, gibt es nicht viel zu feiern.
Allein im Jahr 2021 wurden 2,9 Milliarden Tonnen CO2 durch die Zementproduktion der Industrie emittiert, was mehr als 7 % der gesamten globalen CO2-Emissionen entspricht. Die Emissionen entstehen beim Erhitzen des Zements, da durch die hohen Temperaturen CO2 freigesetzt wird.
Postdoc Colleen Varaidzo Manyumwa und Ph.D. Studentin Chenxi Zhang arbeiten an der Lösung dieses Problems – zunächst auf Mikroebene. Durch die Übertragung von Genen von Mikroorganismen auf eine besonders zähe Bakterienart ist es ihnen gelungen, die Bakterien dazu zu bringen, ein Enzym mit einer begehrten Eigenschaft zu produzieren. Das Enzym kann CO2 schnell und effizient an Kalkstein oder Calciumcarbonat binden, das einer der Hauptbestandteile von Zement ist.
„Der Prozess ist in der Natur zu sehen, wo Meereskorallen auch CO2 binden, aber es kann Jahrhunderte dauern. Mit unserem Enzym dauert es nur wenige Minuten“, sagt Colleen Manyumwa.
Die Forscher arbeiten nun daran, die Produktion des Enzyms noch effizienter zu gestalten, damit ihre Lösung schließlich skaliert und in der Industrie eingesetzt werden kann. Ziel ist es, dass die Zementfabriken einen Bioreaktor mit den speziell entwickelten Bakterien, auch Zellfabrik genannt, haben, um sicherzustellen, dass das emittierte CO2 aufgefangen wird, anstatt in die Atmosphäre zu gelangen.
„Es wird ein bisschen wie ein grüner Kreis funktionieren: Die Fabrik setzt beim Erhitzen CO2 frei, wir fangen es im Bioreaktor auf, der das CO2 an Kalziumkarbonat bindet, die Fabrik erhitzt dann das Kalziumkarbonat erneut, um neuen Zement herzustellen, und wieder fangen wir es auf das freigesetzte CO2″, sagt Chenxi Zhang.
Korallen als Inspirationsquelle
Der Ehrgeiz, eine zirkuläre Lösung zur Abscheidung von CO2 aus einer umweltschädlichen Industrie zu finden, ist alles andere als einzigartig. Aber die Technologie, an der die Forscher arbeiten, ist sehr einzigartig und noch nicht patentiert.
„Andere Biologen versuchen normalerweise, Bakterien zu entwickeln, die die Photosynthese nachahmen, bei der Pflanzen CO2 aus der Luft einfangen und in Zucker umwandeln. Das Problem ist, dass dies sehr schwierig ist. Deshalb haben wir uns entschieden zu sagen: ‚Vergiss Pflanzen. Wir Korallen nachahmen wollen'“, sagt Professor Ivan Mijakovic, der Leiter der Gruppe und der ursprüngliche Ideengeber für das Projekt.
So wie Pflanzen an Land CO2 aus der Luft binden, binden auch die Korallen des Ozeans CO2, wenn sie die komplizierten Strukturen aufbauen, die wir als Korallenriffe kennen. Das CO2 wird sozusagen im maritimen Bau eingefangen, der wie Zement aus Kalziumkarbonat besteht.
„Wir haben die Bakterien gentechnisch so manipuliert, dass sie sich wie Meereskorallen verhalten. Unsere Bakterien wachsen auch unter Wasser, und wenn die Lösung vergrößert werden soll, muss auch die Zellfabrik im Bioreaktor flüssig sein“, sagt Ivan Mijakovic.
Dass dies besondere Anforderungen an den Bioreaktor stellt, können die Forscher schon jetzt sagen. Denn während die Zellfabrik flüssig ist, ist das im Reaktor entstehende Calciumcarbonat ein fester Stoff. In der Konstruktionsphase muss daher berücksichtigt werden, dass der feste Kalkstein einfach und effizient aus dem Reaktor transportiert werden muss.
Riesiges Potenzial
Bisher hat sich die Lösung nur im Labor als wirksam erwiesen, was bedeutet, dass noch viele Tests erforderlich sind, um weitere Ergebnisse zu erzielen, bevor die Forscher mit einem tatsächlichen Scale-up fortfahren können.
Die größte Herausforderung besteht darin, die Bakterien robust genug zu machen, um der rauen Umgebung und den hohen Temperaturen standzuhalten, denen sie in der Industrie ausgesetzt sein werden. Gelingt den Forschern das Projekt, ist das Potenzial riesig.
„Wir haben ein Produkt geschaffen, das zunächst für die Bauindustrie äußerst wertvoll sein kann. Da wir aber mit unseren Bakterien Kalziumkarbonat herstellen können, können wir auch andere Karbonate herstellen, die beispielsweise in der Pharmaindustrie oder der Papierherstellung verwendet werden können.“ Industrie. Das Potenzial ist wirklich riesig“, sagt Colleen Manyumwa.
Obwohl es von den Mikroorganismen im Labor bis zum finalen Ziel noch ein weiter Weg ist, findet sie Motivation im großen Ganzen ihrer Forschung.
„Innovation ist immer eine Herausforderung, und manche Tage sind definitiv einfacher als andere. Aber ich glaube, dass diese Lösung innerhalb weniger Jahre als eine von mehreren Lösungen existieren wird, um CO2 aus der Atmosphäre zu entfernen und zur Verlangsamung des Klimawandels beizutragen“, sagt sie.