Autor des Originaltextes: Amos Zeeberg
Quelle: NY Times
„Frankenstein-Material“
…ist voll von fotosynthetischen Mikroben und wird schließlich aus ihnen hergestellt. Und es kann sich sogar reproduzieren.
Wil Srubar, links, Bauingenieur an der University of Colorado, Boulder und Materialwissenschaftler, sowie Sarah Williams, die Ziegel aus Baustellenmaterialien hält, die aus Cyanobakterien und anderen Materialien hergestellt wurden.
Über Jahrhunderte hinweg haben Bauherren Beton auf nahezu die gleiche Weise hergestellt: durch Mischen von harten Materialien wie Sand mit verschiedenen Bindemitteln und der Hoffnung, dass der Beton fest und steif bleibt.
Ein interdisziplinäres Team von Wissenschaftlern der University of Colorado, Boulder, hat nun eine völlig andere Art von Beton entwickelt – einen, der lebendig ist und sich sogar reproduzieren kann.
Die Mineralien in diesem neuen Material werden nicht chemisch abgelagert, sondern durch Cyanobakterien, eine gängige Gruppe von Mikroben, die Energie durch Fotosynthese aufnehmen. Der fotosynthetische Prozess absorbiert Kohlendioxid, im Gegensatz zur Herstellung von gewöhnlichem Beton, bei dem große Mengen an Treibhausgasen freigesetzt werden.
Die fotosynthetischen Bakterien verleihen dem Beton auch eine weitere ungewöhnliche Funktion: eine grüne Farbe. „Es sieht wirklich wie ein Frankenstein-Material aus“, sagte Wil Srubar, Bauingenieur und Leiter des Forschungsprojekts. (Wenn der Beton trocknet, verblasst die grüne Farbe.)
Andere Wissenschaftler haben daran gearbeitet, Biologie in Beton zu integrieren, insbesondere in Beton, der eigene Risse heilen kann. Laut den Schöpfern dieses neuen Materials besteht der Hauptvorteil darin, dass anstatt Bakterien zu gewöhnlichem Beton hinzuzufügen – einem unwirtlichen Umfeld – der Prozess auf Bakterien ausgerichtet ist: Sie werden verwendet, um den Beton zu bauen und am Leben gehalten, damit sie später weiterhin verwendet werden können.
Neuer, lebendiger Beton
…beschrieben in der Zeitschrift Matter, „stellt eine neue und aufregende Klasse von kohlenstoffarmen, designorientierten Baumaterialien dar“, sagte Andrea Hamilton, Betonexpertin an der Strathclyde University in Schottland.
Um den lebendigen Beton zu erstellen, versuchten die Wissenschaftler zuerst, Cyanobakterien in eine Mischung aus warmem Wasser, Sand und Nährstoffen zu geben. Die Mikroben nahmen eifrig Licht auf und begannen, Calciumcarbonat zu produzieren, wodurch die Sandpartikel langsam miteinander verbunden wurden. Dieser Prozess war jedoch langsam – und Darpa, die spekulative Forschungsabteilung des Verteidigungsministeriums und der Förderer des Projekts, wollte, dass der Bau sehr schnell voranschreitet. Notwendigkeit, glücklicher Zufall und ein geborener Erfinder.
Der Bogen aus lebendem Baumaterial im Labor von Dr. Srubar
Dr. Srubar hatte zuvor mit Gelatine gearbeitet, einem Lebensmittelbestandteil, der beim Auflösen in Wasser und Abkühlen spezielle Bindungen zwischen seinen Molekülen bildet. Wichtig ist, dass es bei milden Temperaturen verwendet werden kann, die für die Bakterien schonend sind. Er schlug vor, Gelatine hinzuzufügen, um die Matrix zu verstärken, die von Cyanobakterien gebildet wird, und das Team war begeistert.
Die Wissenschaftler kauften Gelatine der Marke Knox im örtlichen Supermarkt und lösten sie in einer Lösung mit Bakterien auf. Als sie die Mischung in Formen gossen und sie im Kühlschrank abkühlten, bildete die Gelatine ihre Bindungen – „genau wie bei der Herstellung von Jell-O“, sagte Dr. Srubar. Die Gelatine verlieh der Mischung mehr Struktur und arbeitete mit den Bakterien zusammen, um dem lebenden Beton zu helfen, stärker und schneller zu wachsen.
Etwa einen Tag später bildete die Mischung Betonblöcke in der Form jeder beliebigen Form, die das Team verwendete, einschließlich zwei Zoll Würfeln, Schuhgrößenblöcken und Dachstücken mit Stützen und Ausschnitten. Die einzelnen zwei Zoll Würfel waren stark genug, um darauf zu stehen, obwohl das Material im Vergleich zu gewöhnlichem Beton schwach war. Die Schuhkartongroßen Blöcke zeigten Potenzial für echte Bauarbeiten.
Erste Versuche
„Als wir mit diesem System zum ersten Mal eine große Struktur erschufen, wussten wir nicht, ob es funktionieren würde, wir gingen von diesem kleinen Stück zu diesem großen Ziegel“, sagte Chelsea Heveran, eine ehemalige Post-Doktorandin der Gruppe – jetzt Ingenieurin an der Staatsuniversität von Montana – und Hauptautorin der Studie. „Wir haben es aus der Form genommen und es gehalten – es war schön, lebendig grün und an der Seite stand ‚Darpa‘.“ (Die Form trug den Namen des Projektförderers.) „Es war das erste Mal, dass wir die Maßstabsebene hatten, die wir uns vorgestellt hatten, und das war wirklich aufregend.“
Als das Team kleine Proben zu einem regelmäßigen Treffen mit Darpa-Vertretern brachte, waren diese beeindruckt, sagte Dr. Srubar: „Jeder wollte einen auf seinem Tisch haben.“
Wenn die Blöcke in relativ trockener Luft bei Raumtemperatur aufbewahrt werden, erreichen sie innerhalb weniger Tage ihre maximale Stärke, und die Bakterien beginnen allmählich zu sterben. Aber auch nach einigen Wochen bleiben die Blöcke am Leben; wenn sie erneut hoher Temperatur und Feuchtigkeit ausgesetzt werden, sichern viele Bakterienzellen sich selbst.
Die Gruppe kann einen Block nehmen, mit einem Diamantschneider schneiden, die Hälfte zurück in ein warmes Bad mit mehr Rohstoffen legen, in eine Form gießen und wieder mit der Betonbildung beginnen. Jeder Block könnte so drei neue Generationen hervorbringen, die acht Nachkommen erzielen.
Das Verteidigungsministerium ist daran interessiert, die reproduktive Fähigkeit dieser „LBM“ – lebendigen Baumaterialien – zu nutzen, um den Bau in abgelegenen oder kargen Umgebungen zu unterstützen. „In die Wüste willst du nicht mit einer Menge Baumaterial fahren“, sagte Dr. Srubar.
Vorteile der Blöcke
…weil sie aus verschiedenen gängigen Materialien hergestellt werden. Der Großteil des Betons erfordert jungfräulichen Sand aus Flüssen, Seen und Ozeanen, der weltweit knapp ist, besonders aufgrund der enormen Nachfrage nach Beton. Das neue lebendige Material ist nicht so wählerisch. „Wir sind nicht darauf angewiesen, einen bestimmten Sandtyp zu verwenden“, sagte Dr. Srubar. „Wir könnten Abfallmaterialien wie geschliffenes Glas oder recycelten Beton verwenden.“
Das Forschungsteam arbeitet daran, das Material praktischer zu machen, indem es den Beton verstärkt; die Widerstandsfähigkeit der Bakterien gegen Dehydration erhöht; die Materialanordnung ändert, sodass es in Wohnungen verpackt und wie Gipskartonplatten einfach zusammengebaut werden kann; und einen anderen Cyanobakterientyp findet, der keinen Zusatz von Gel benötigt.
Dr. Srubar sagte, dass Werkzeuge der synthetischen Biologie das Spektrum der Möglichkeiten dramatisch erweitern können: Zum Beispiel Baumaterialien, die toxische Chemikalien erkennen und darauf reagieren, oder die sich erleuchten, um strukturelle Schäden anzuzeigen. Lebendiger Beton könnte in einer raueren Umgebung als den trockensten Wüsten helfen; auf anderen Planeten, wie zum Beispiel dem Mars.
„Es gibt keinen Weg, Baumaterialien in den Weltraum zu transportieren“, sagte Dr. Srubar. „Wir bringen die Biologie mit uns.“