Wissenschaftler erschaffen lebenden Beton

Quelle: https://www.nytimes.com/2020/01/15/science/construction-concrete-bacteria-photosynthesis.html?fbclid=IwAR0m7LZK76O_mhR4VKSNcXm2SIb4A4L9Y4vZWs8CDLWbhBEoAyx0o85V48I

„Ein Frankenstein-Material“

... durchzogen von photosynthetischen Mikroben und am Ende auch aus ihnen hergestellt. Und es kann sich vermehren.

Wil Srubar (links), Bauingenieur an der University of Colorado Boulder, und Sarah Williams, Studentin der Werkstofftechnik, halten Ziegel aus einem Baustoff in den Händen, der aus Cyanobakterien und weiteren Materialien besteht.

Seit Jahrhunderten stellen Baumeister Beton auf nahezu dieselbe Weise her: Sie mischen harte Stoffe wie Sand mit verschiedenen Bindemitteln und hoffen, dass das Ergebnis lange fest und tragfähig bleibt.

Ein interdisziplinäres Forscherteam der University of Colorado Boulder hat nun eine völlig andere Art von Beton entwickelt: einen, der lebt und sich sogar vermehren kann.

Die Minerale im neuen Material lagern sich nicht auf chemischem Weg ab, sondern über Cyanobakterien, eine verbreitete Gruppe von Mikroben, die ihre Energie aus der Photosynthese gewinnen. Dieser Prozess bindet Kohlendioxid, während bei der Herstellung von herkömmlichem Beton gewaltige Mengen an Treibhausgasen frei werden.

Die photosynthetischen Bakterien geben dem Beton noch eine weitere ungewöhnliche Eigenschaft: eine grüne Farbe. „Es sieht wirklich aus wie ein Frankenstein-Material“, sagte Wil Srubar, Bauingenieur und Leiter des Forschungsprojekts. (Trocknet das Material, verblasst das Grün.)

Auch andere Wissenschaftler haben sich bereits damit befasst, Biologie in Beton einzubinden, vor allem in Beton, der seine Risse selbst schließen kann. Der wesentliche Vorteil des neuen Materials liegt nach Angaben der Entwickler darin, dass die Bakterien nicht in herkömmlichen Beton und damit in eine lebensfeindliche Umgebung eingebracht werden: Das Verfahren setzt direkt bei den Bakterien an, sie sollen den Beton selbst erzeugen und für eine spätere Verwendung am Leben bleiben.

Der neue, lebende Beton

... beschrieben in der Fachzeitschrift Matter, „steht für eine neue und spannende Klasse kohlenstoffarmer, gezielt entworfener Baustoffe“, sagte Andrea Hamilton, Betonexpertin an der Strathclyde University in Schottland.

Bei der Entwicklung des lebenden Betons versuchten die Forscher zunächst, Cyanobakterien in eine Mischung aus warmem Wasser, Sand und Nährstoffen einzubringen. Die Mikroben nahmen bereitwillig Licht auf und begannen, Calciumcarbonat zu bilden, das die Sandkörner nach und nach verband. Der Prozess war jedoch langsam, und die Darpa, die Forschungsagentur des US-Verteidigungsministeriums und Geldgeberin des Projekts, wollte, dass das Bauen sehr schnell geht. Notwendigkeit und glücklicher Zufall führten so zur Erfindung.

Ein Bogen aus lebenden Baustoffen im Labor von Dr. Srubar

Dr. Srubar hatte zuvor mit Gelatine gearbeitet, einer Lebensmittelzutat, die in Wasser gelöst und abgekühlt eigene Bindungen zwischen ihren Molekülen ausbildet. Entscheidend ist: Sie lässt sich bei milden, für Bakterien verträglichen Temperaturen verwenden. Er schlug vor, Gelatine zuzugeben, um die von den Cyanobakterien gebildete Matrix zu verfestigen, und das Team griff die Idee auf.

Die Forscher kauften im örtlichen Supermarkt Gelatine der Marke Knox und lösten sie in der Bakterienlösung auf. Als sie die Mischung in Formen gossen und im Kühlschrank abkühlten, bildete die Gelatine ihre Bindungen aus. „Genau so, wie wenn man Wackelpudding macht“, sagte Dr. Srubar. Die Gelatine sorgte für eine festere Struktur und arbeitete mit den Bakterien zusammen, sodass der lebende Beton schneller und fester wuchs.

Innerhalb von etwa einem Tag entstanden aus der Mischung Betonblöcke in der Form jeder verwendeten Schalung, darunter Würfel von zwei Zoll Kantenlänge, Blöcke in Schuhkartongröße und Dachelemente mit Aussteifungen und Ausschnitten. Die einzelnen Zwei-Zoll-Würfel waren fest genug, dass ein Mensch darauf stehen konnte, auch wenn das Material im Vergleich zu herkömmlichem Beton schwächer ist. Die Blöcke in Schuhkartongröße zeigten das Potenzial für den realen Baubetrieb.

Die ersten Versuche

„Als wir mit diesem System zum ersten Mal eine große Struktur hergestellt haben, wussten wir nicht, ob es funktionieren würde; wir sind von diesem kleinen Format auf diesen großen Ziegel gegangen“, sagte Chelsea Heveran, ehemalige Postdoktorandin im Team, heute Ingenieurin an der Montana State University und Hauptautorin der Studie. „Wir haben ihn aus der Form genommen und in den Händen gehalten. Er war wunderschön, leuchtend grün, und an der Seite stand das Wort ‚Darpa‘.“ (Die Form trug den Namen des Geldgebers des Projekts.) „Das war das erste Mal, dass wir den Maßstab erreicht haben, den wir uns vorgestellt hatten, und das war wirklich aufregend.“

Als das Team kleine Proben zu einem regelmäßigen Treffen mit Vertretern der Darpa mitbrachte, waren diese beeindruckt, sagte Dr. Srubar: „Jeder wollte eine auf seinem Schreibtisch haben.“

Bei Lagerung in relativ trockener Luft und bei Raumtemperatur erreichen die Blöcke ihre höchste Festigkeit innerhalb weniger Tage, und die Bakterien beginnen allmählich abzusterben. Doch selbst nach mehreren Wochen sind die Blöcke noch lebendig: Setzt man sie erneut hoher Temperatur und Feuchtigkeit aus, erholen sich viele Bakterienzellen von selbst.

Das Team kann einen Block nehmen, ihn mit einer Diamantspitze zerteilen, die eine Hälfte zurück in einen warmen Behälter mit weiteren Ausgangsstoffen geben, sie in eine Form gießen und erneut Beton entstehen lassen. Jeder Block kann so drei neue Generationen hervorbringen, insgesamt acht Nachkommen.

Das Verteidigungsministerium ist daran interessiert, die Vermehrungsfähigkeit dieser „LBM“, also lebender Baustoffe, für das Bauen in abgelegenen oder unwirtlichen Regionen zu nutzen. „Man will schließlich keine großen Materialmengen in die Wüste transportieren“, sagte Dr. Srubar.

Der Vorteil der Blöcke liegt darin,

... dass sie aus verschiedenen, leicht verfügbaren Materialien bestehen. Für die meisten Betone braucht es unverbrauchten Sand aus Flüssen, Seen und Meeren, der weltweit knapp ist, nicht zuletzt wegen der enormen Nachfrage nach Beton. Das neue lebende Material ist weniger wählerisch. „Wir sind nicht auf eine bestimmte Sandsorte angewiesen“, sagte Dr. Srubar. „Wir könnten auch Abfallstoffe verwenden, etwa gemahlenes Glas oder recycelten Beton.“

Das Forschungsteam arbeitet daran, das Material praxistauglicher zu machen: Es verstärkt den Beton, erhöht die Widerstandsfähigkeit der Bakterien gegen Austrocknung, ordnet die Materialien so an, dass sie flach gelagert und ähnlich einfach wie eine Gipskartonplatte montiert werden können, und sucht nach einer anderen Art von Cyanobakterien, die ohne Zugabe von Gelatine auskommt.

Dr. Srubar sagte, die Werkzeuge der synthetischen Biologie könnten die Möglichkeiten deutlich erweitern: etwa um Baustoffe, die giftige Chemikalien erkennen und darauf reagieren, oder die aufleuchten und auf Schäden am Tragwerk hinweisen. Lebender Beton könnte in Umgebungen helfen, die rauer sind als die trockensten Wüsten, zum Beispiel auf anderen Planeten wie dem Mars.

„Baumaterialien lassen sich nicht in den Weltraum transportieren“, sagte Dr. Srubar. „Wir nehmen die Biologie mit.“