Fraunhofer-Forschende haben ein Verfahren entwickelt, mit dem Baustoffe auf Basis von Cyanobakterien herstellbar sind. Gibt man Zusatz- und Füllstoffe wie Sand, Basalt oder nachwachsende Rohstoffe dazu, bilden sich gesteinsartige Strukturen. So lassen sich Biobeton, aber auch viele andere Materialien herstellen. Anders als bei der klassischen Betonherstellung wird CO2 nicht emittiert, sondern sogar im Material gebunden.
Cyanobakterien („Blaugrünbakterien“) sind zur Fotosynthese fähige Mikroorganismen. In Gewässern bilden sie durch ein Wechselspiel von Licht, Feuchtigkeit und Temperatur sowie unter Bindung mineralischer Umgebungspartikel fein geschichtete Kalk -Sedimentgesteine aus – die so genannten Stromatolithen. Bei diesem schon seit Urzeiten durch Bakterien initiierten Prozess wird CO2 aus der Atmosphäre fixiert und im biogenen Gestein gebunden.
Forschende des Fraunhofer-Instituts für Keramische Technologien und Systeme (Fraunhofer IKTS) und des Fraunhofer-Instituts für Elektronenstrahl- und Plasmatechnik (Fraunhofer FEP) haben sich das natürliche Verfahren nun zum Vorbild genommen. Im gemeinsamen Projekt „BioCarboBeton“ nutzen sie die Fähigkeiten der Cyanobakterien, um ein umweltfreundliches, biologisch induziertes Verfahren zur Herstellung von Baustoffen zu entwickeln.
Aus Bakterienlösung wird Feststoff
Den Forschenden ist es gelungen, den natürlichen Prozess in einem technischen Verfahren nachzubilden. Dabei vermehren sich die Cyanobakterien in einer Nährlösung durch Fotosynthese. Durch Intensität und Farbe der eingesetzten Lichtquelle lässt sich der fotosynthetische Prozess und damit der Stoffwechsel der Mikroorganismen beeinflussen.
Damit es in der Bakterienlösung zur Mineralisierung nach dem Vorbild der Stromatolithen kommt, werden Calciumlieferanten wie Calciumchlorid zugegeben. Außerdem mischen die Forschenden Hydrogele und verschiedene Füllstoffe bei, beispielsweise Meer- oder Quarzsand. Durch Verrühren entsteht ein Bakterien-Mischmaterial, das sich durch Mineralisierung zunehmend verfestigt. Zusätzliches Einspeisen von CO2 erhöht den Gehalt an gelöstem Kohlendioxid und unterstützt den Prozess. Wie in der Natur bindet das Verfahren also klimaschädliches Gas.
Baustoffe lassen sich aus dem Bakterien-Mischmaterial zum Beispiel herstellen, indem man es in Formen füllt. Diese sollten vorzugsweise lichtdurchlässig sein, damit Stoffwechsel und Fotosynthese der Bakterien weitergehen. Die Mineralisierung führt schließlich zur finalen Verfestigung. Alternativ lässt sich die biogene Mischmasse auch durch Aufsprühen, Schäumen, Strangpressen oder mittels additiver Fertigung ( 3D-Druck ) in die jeweils gewünschte Form bringen.
Durch die gezielte Auswahl der Füllstoffe und die Steuerung der Prozess- und Mineralisierungsparameter lassen sich Produkte für unterschiedliche Anwendungsszenarien erzeugen. Potenziell kann man mit dem Verfahren übrigens nicht nur betonartige Materialien, sondern zum Beispiel auch biogene Dämmstoffe oder auch Mörtel- und Putzprodukte herstellen.
Die nächsten Schritte
Bio-Baustoffe aus Cyanobakterien enthalten keine giftigen Substanzen und binden zudem klimaschädliches CO2. Doch es geht noch besser. Die Fraunhofer-Forschenden denken bereits darüber nach, wie sich der Prozess im Sinne einer echten Kreislaufwirtschaft weiter optimieren lässt.
Überlegt wird beispielsweise, Kohlendioxid aus industriellen Abfallgasen zu verwenden. Derzeit wird noch mit Biogas gearbeitet. Als Calciumquellen könnten Basalte und Minenabfälle dienen, aber auch Milchreste aus Molkereien. Als Füllstoffe sind neben Sand auch zerkleinerter Bauschutt oder nachwachsende Ressourcen verwendbar.
Nachdem die Forschenden den grundsätzlichen Prozess etabliert und erprobt haben, arbeiten sie nun an der Skalierung der Mengen sowie an der genaueren Bestimmung der gewünschten Festkörpereigenschaften. Ziel ist es, interessierten Herstellern zu ermöglichen, umweltfreundliche Bio-Baustoffe schnell und wirtschaftlich in den jeweils erforderlichen Mengen zu produzieren.
