Fraunhofer-Forscher haben ein Verfahren zur Herstellung biogener Baustoffe auf Basis von Cyanobakterien entwickelt. Die Bakterien vermehren sich in einer Nährlösung, angetrieben durch Photosynthese.
Durch Zugabe von Zuschlag- und Füllstoffen wie Sand, Basalt oder nachwachsenden Rohstoffen entstehen steinähnliche Massivstrukturen. Anders als bei der traditionellen Betonherstellung entsteht dabei kein umweltschädliches Kohlendioxid. Das Kohlendioxid wird vielmehr im Material selbst gebunden.
Die Bauindustrie hat ein Problem. Zement, der Hauptbestandteil von Beton – dem wohl meistverwendeten Baumaterial unserer Zeit – ist schlecht für das Klima. Die CO2-Emissionen bei der Zementproduktion sind sehr hoch.
Nach Angaben des Umweltbundesamtes (UBA) verursachte die Zementproduktion im Jahr 2018 allein in Deutschland rund 20 Millionen Tonnen CO2-Emissionen. Das entspricht etwa 10 Prozent aller Industrieemissionen.
Forscher des Fraunhofer-Instituts für Keramische Technologien und Systeme IKTS und des Fraunhofer-Instituts für Elektronenstrahl- und Plasmatechnik FEP stellen im Projekt „BioCarboBeton“ nun ein umweltfreundliches, biologisch induziertes Verfahren zur Herstellung biogener Baustoffe vor. Dabei wird nicht nur selbst kein Kohlenstoff freigesetzt; im Gegenteil: Das klimaschädliche Gas wird für den Prozess genutzt und anschließend im Material gebunden.
Herzstück der neuen Methode sind Cyanobakterien, früher auch Blaualgen genannt. Diese Bakterienkulturen sind zur Photosynthese fähig. Unter dem Einfluss von Licht, Feuchtigkeit und Temperatur bilden sie aus Kalkstein sogenannte Stromatolithen.
Diese gesteinsähnlichen biogenen Strukturen existieren bereits seit 3,5 Milliarden Jahren in der Natur, was die Widerstandsfähigkeit und Langlebigkeit dieses biologischen Prozesses belegt. Wie damals wird im Zuge der Mineralisierung CO2 aus der Atmosphäre aufgenommen und im biogenen Gestein gebunden.
Den Fraunhofer-Forschern ist es gelungen, diesen natürlichen Prozess technologisch nachzuahmen. Unter der Projektleitung von Initiator Dr. Matthias Ahlhelm, der auch die Idee beisteuerte, entwickelt das Fraunhofer IKTS Materialien und Prozesse, wählt mögliche Füllstoffe sowie Bindemittel aus und sorgt für Form und Struktur.
Forscherinnen und Forscher am Fraunhofer FEP unter der Leitung von Dr. Ulla König etablieren dabei die Methoden zur Kultivierung der Cyanobakterien, die ergänzende mikrobiologische Analytik sowie die anzustrebende Hochskalierung der Biomasseproduktion.
Bakterienlösung wird fest
Im ersten Schritt zur Produktion von Biomasse werden die lichtempfindlichen Cyanobakterien in einer Nährlösung kultiviert. Intensität und Farbe der verwendeten Lichtquelle beeinflussen die bakterielle Photosynthese und den Stoffwechsel.
Damit die Bakterienlösung mineralisieren und stromatolithartige Strukturen bilden kann, werden Kalziumquellen wie Kalziumchlorid zugegeben. Anschließend stellen die Forscher eine Mischung aus Hydrogelen und verschiedenen Füllstoffen her, beispielsweise unterschiedlichen Sandarten, darunter See- oder Quarzsand. Durch zusätzliches CO2-Gehalt wird der Gehalt an gelöstem Kohlendioxid erhöht und der Prozess unterstützt.
Die Bakterienmischung wird bis zur Homogenität gerührt und anschließend, zum Beispiel durch Überführen in Formen, strukturiert. Die Formen sollten möglichst lichtdurchlässig sein, damit die bakteriellen Stoffwechsel- und Photosyntheseprozesse weiterlaufen können.
Die anschließende Mineralisierung führt zur endgültigen Verfestigung. Die Bakterienmischung kann auch durch Sprühen, Aufschäumen, Extrudieren oder additive Fertigung geformt werden und erhält so die Form, in der die letzten Schritte der Mineralisierung stattfinden.
Alternativ können auch poröse Substrate hergestellt und anschließend mit der Cyanobakterienkultur behandelt werden. „Die entstehende feste Struktur ist während des Prozesses noch porös, so dass Licht ins Innere gelangt und die Kohlendioxid-Fixierung durch Kalksteinmineralisierung vorantreibt. Durch Licht- und Feuchtigkeitsentfernung oder Temperaturänderungen können wir den Prozess stoppen“, erklärt Ahlhelm.
An diesem Punkt sterben alle Bakterien einfach ab. Es entsteht ein festes Produkt auf Basis von biogenem Calciumcarbonat und Füllstoffen, das beispielsweise als Ziegel verwendet werden kann. Die biobasierten Baustoffe aus Cyanobakterien enthalten keine giftigen Stoffe.
Zu den Zielen des BioCarboBeton-Projektes gehört es, die möglichen stofflichen und mechanischen Eigenschaften der herzustellenden biogenen Werkstoffe zu ermitteln und die Prozesse zu skalieren. Dabei denken die Forscher bereits über eine zirkuläre Prozessgestaltung nach. So könnte das Kohlendioxid beispielsweise aus industriellen Abgasen gewonnen werden.
Derzeit beschäftigt sich das Team mit Biogas. Als Kalziumquellen kommen Basalt und Bergbauabfälle in Frage, aber auch Milchrückstände aus der Molkerei. Und als Füllstoffe kommen neben Sand auch Bauschutt oder nachwachsende Rohstoffe in Frage.
Anwendungen – von der Dämmung bis zum Mörtel
Durch gezielte Auswahl der Füllstoffe und Steuerung der Prozess- und Mineralisierungsparameter können Produkte für eine Vielzahl unterschiedlicher Anwendungsszenarien hergestellt werden. Mögliche Anwendungen sind beispielsweise Dämmstoffe, Ziegel, Schalungsfüllungen und sogar Mörtel oder Stuck, der nach dem Auftragen aushärtet.
Nachdem das Forscherteam am Fraunhofer IKTS und am Fraunhofer FEP den Prozess etabliert und getestet hat, arbeitet es nun an der Skalierung der Mengen und der Bestimmung der gewünschten Feststoffeigenschaften. Ziel ist es, dass Hersteller die umweltfreundlichen biobasierten Baustoffe schnell und kostengünstig in den benötigten Mengen produzieren können.
Ahlhelm und König sind von dem Verfahren überzeugt: „Unsere Methode zeigt, welches enorme Potenzial durch die Biologisierung der Technologie freigesetzt werden kann. Insgesamt ist unser BioCarboBeton-Projekt die Chance für einen großen Schritt hin zu einer Kreislaufwirtschaft in der Baubranche und darüber hinaus.“