Blaualgen als Baumeister der Zukunft | Foto: ©tonaquatic #251470382 – stock.adobe.com
Forscher der ETH Zürich arbeiten an einem lebenden Material, bei dem Blaualgen die Baumeister der Zukunft sein könnten. Die Blaualgen entziehen durch die Photosynthese der Atmosphäre aktiv Kohlendioxid. Sie binden Kohlendioxid gleich zweifach, da sie Biomasse und feste Materialien bilden.
Ein futuristisch anmutendes Vorhaben
Verschiedene Fachrichtungen der ETH Zürich forschen an der Kombination von herkömmlichen Werkstoffen mit Algen, Pilzen oder Bakterien. Lebendige Materialien sollen aufgrund des Stoffwechsels der Mikroorganismen nützliche Eigenschaften erlangen. Dazu gehört die Fähigkeit, durch die Photosynthese Kohlendioxid aus der Umwelt zu binden.
Die Vision wurde von einem interdisziplinären Forschungsteam in die Realität umgesetzt.
Blaualgen, die eigentlich keine Algen sind, sondern Cyanobakterien, wurden von den Forschern in ein druckbares Gel eingebracht. Die Forscher entwickelten einen lebenden Werkstoff, der aktiv Kohlendioxid aus der Luft entfernt und im Inneren wächst.
Verschiedene Fachrichtungen der ETH Zürich forschen an der Kombination von herkömmlichen Werkstoffen mit Algen, Pilzen oder Bakterien | Foto: ©chokniti #282227992 – stock.adobe.com
Ein lebendiger Werkstoff, der Kunststoff zweifach bindet
Der lebendige Werkstoff hat den Vorteil, dass er mit 3D-Druck beliebig geformt werden kann. Er benötigt für sein Wachstum nur Sonnenlicht, Kohlendioxid und künstliches Meerwasser, in dem die Nährstoffe leicht verfügbar sind. Künftig könnte dieses Baumaterial dazu beitragen, dass Kohlendioxid direkt in Gebäuden gespeichert werden.
Das Baumaterial kann deutlich mehr Kohlendioxid aufnehmen, als es durch sein organisches Wachstum bindet. Es speichert Kohlenstoff nicht nur in Biomasse, sondern auch in Form von Mineralien. Die Mineralien lagern sich im Inneren ab und härten zunächst weiche Strukturen aus.
Der lebendige Werkstoff hat den Vorteil, dass er mit 3D-Druck beliebig geformt werden kann | Foto: ©Parilov #1516362451 – stock.adobe.com
Cyanobakterien als eine der ältesten Lebensformen der Welt
Cyanobakterien sind eine der ältesten Lebensformen der Welt. Sie können selbst schwaches Licht nutzen, um Wasser und Biomasse aus Kohlendioxid zu produzieren, da sie Photosynthese hocheffizient betreiben.
Als Folge der Photosynthese verändern diese Einzeller auch außerhalb ihrer Zelle die chemische Umgebung.
So fällen feste Karbonate aus, die eine zusätzliche Kohlenstoffsenke darstellen und anders als Biomasse Kohlendioxid dauerhaft speichern. Durch die Mineralien wird das Material mechanisch gestärkt.
Wie Versuche im Labor zeigten, bindet das Material über 400 Tage kontinuierlich Kohlendioxid. Pro Gramm Material können ungefähr 26 Milligramm Kohlendioxid gebunden werden. Das ist mit der chemischen Mineralisierung von Recyclingbeton vergleichbar, der pro Gramm rund 7 Milligramm Kohlendioxid bindet.
Hydrogel als Trägermaterial
Als Trägermaterial, in dem die Blaualgen leben, dient ein Hydrogel, das aus vernetzten Polymeren mit einem hohen Wassergehalt besteht. Die Forscher wählten ein Polymernetzwerk, das Wasser, Nährstoffe, Licht und Kohlendioxid transportieren kann. Die Zellen können sich im Inneren gleichmäßig verbreiten und müssen das Material nicht verlassen.
Die Geometrie der Strukturen wurde mit einem 3D-Druckverfahren optimiert. Die Strukturen erhielten eine vergrößerte Oberfläche. So können die Cyanobakterien möglichst lange leistungsfähig bleiben. Die Lichtdurchdringung wird erhöht und der Nährstofffluss gefördert.
Die Strukturen stehen nur mit einem kleinen Teil in der Nährflüssigkeit. Durch Kapillarkräfte wird die Flüssigkeit passiv im ganzen Körper verteilt. Die eingekapselten Blaualgen blieben im Labor mehr als ein Jahr lang produktiv.
Hydrogel als Trägermaterial | Foto: ©Corona Borealis #1898262065 – stock.adobe.com
Energiearmer und umweltfreundlicher Ansatz
Das lebende Material ist ein energiearmer und umweltfreundlicher Ansatz, um Kohlendioxid aus der Atmosphäre zu binden. Es kann bestehende chemische Verfahren ergänzen.
Künftig wollen die Forscher untersuchen, wie Gebäudefassaden mit dem Material beschichtet werden können.
Während des gesamten Lebenszyklus eines Gebäudes könnte Kohlendioxid gebunden werden. Das ist jedoch noch ein langer Weg.
Installation als Experiment
Andrea Shin Ling, Doktorandin an der ETH Zürich, ist Architektin und Biodesignerin und hat an der Studie teilgenommen. Sie stellte die Grundlagenforschung für das Material auf der Architekturbiennale in Venedig vor. Der Fertigungsprozess wurde vom Laborformat auf Raumdimensionen skaliert.
Die Installation hat ein großes Potenzial, doch müssen noch einige Hürden bewältigt werden, bis eine breite Anwendung möglich ist. Die Skalierbarkeit ist eines dieser Probleme.
Die Strukturen müssen über längere Zeiträume im Freien, bei UV-Einstrahlung und bei wechselnden Temperaturen funktionieren. Die Langzeitpflege der Mikroorganismen muss noch abschließend erforscht werden. Dabei ist die Frage zu beantworten, ob sich die Cyanobakterien reaktivieren lassen oder ersetzt werden müssen, wenn sie absterben.
Die Sicherheit ist ein weiteres Problem. In dieser Form gelten die Blaualgen als unbedenklich. Die Hersteller müssen jedoch nachweisen, dass für Menschen und Umwelt keine Risiken bestehen. Das ist insbesondere beim großflächigen Einsatz in Innenräumen und an Fassaden wichtig.
