Lebender Beton aus Algen: Gebäude schlucken CO₂

Ein Material, das atmet und gleichzeitig verstärkt

Das ist keine dekorative grüne Fassade oder ein vertikaler Garten an der Wand. Schweizer Forscher haben ein Material entwickelt, das irgendwo zwischen Putz und lebendigem Organismus angesiedelt ist – es atmet, wächst, mineralisiert und kann dauerhaft CO₂ in sich einschließen. Würde diese Technologie in der normalen Bauindustrie Verbreitung finden, könnten Fassaden von Wohnblöcken und Bürogebäuden wie künstliche Wälder funktionieren.

Cyanobakterien als winzige Betonfabriken

Die Grundlage des gesamten Projekts bilden Cyanobakterien – Mikroorganismen, die manchmal auch blaugrüne Algen genannt werden. Sie gehören zu den ältesten Lebewesen der Erde und existieren seit mehr als drei Milliarden Jahren. Seit jeher beherrschen sie die Photosynthese, also die Umwandlung von Sonnenlicht, Wasser und CO₂ in Sauerstoff und organische Verbindungen.

Das Team der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich (ETH Zürich) ging erheblich weiter. Sie nutzten die Cyanobakterien nicht nur als „Staubsauger“ für Kohlendioxid. Entscheidend ist, dass bestimmte Arten von Cyanobakterien den eingefangenen Kohlenstoff in Mineralien ähnlich dem Calciumcarbonat umwandeln können – derselben Substanz, aus der Kalkstein und Muscheln bestehen.

Denselben Prozess, der über Millionen von Jahren Korallenriffe und Kalksteinfelsen aufbaute, pressten die Wissenschaftler in eine dünne Schicht zukünftigen Putzes.

Zunächst wachsen die Organismen in einem feuchten Gel, sammeln CO₂ an und produzieren Biomasse. Sobald sie ihre Wachstumsgrenze erreichen, beginnt die zweite Phase – die Mineralisierung. Im Inneren des Materials entsteht etwas wie ein inneres „steinernes“ Gerüst. Der Kohlenstoff wird dadurch langfristig eingeschlossen und der Verbundstoff wird allmählich immer fester.

3D-gedrucktes Hydrogel als Heimat für Algen

Damit die Cyanobakterien einen Lebensraum haben, entwickelten die Forscher ein spezielles Hydrogel. Dabei handelt es sich um ein weiches, mit Wasser gesättigtes Material mit sehr poröser Struktur. Es funktioniert ähnlich wie ein Schwamm – lässt Wasser, Gase und Licht durch und erhält gleichzeitig stabile Bedingungen für die Mikroorganismen aufrecht.

Das Interessanteste ist, dass sich dieses Hydrogel mittels 3D-Technologie drucken lässt. Dadurch können komplexe Geometrien geformt werden, während gleichzeitig Dicke, Durchlässigkeit und die Art und Weise präzise gesteuert werden, wie Licht auf die Algenzellen trifft. In der Praxis lässt sich eine Fassade so entwerfen, dass sie die CO₂-Aufnahme unter bestimmten Lichtverhältnissen maximiert.

• Das Hydrogel dient als „Zuhause“ für die Cyanobakterien.
• Die dreidimensionale Struktur erleichtert den Zugang zu Licht, Wasser und Kohlendioxid.
• Der hohe Wassergehalt schützt die Zellen vor Austrocknung.
• Die Porosität des Materials beeinflusst die Geschwindigkeit der Mineralisierung.

Während der Labortests funktionierte das Material kontinuierlich etwa 400 Tage lang. In dieser Zeit band es durchschnittlich 26 mg CO₂ pro Gramm seines Eigengewichts in Form dauerhafter mineralischer Ablagerungen. Im Vergleich zu anderen biologischen Methoden der Kohlendioxidbindung handelt es sich um eine sehr hohe Effizienz.

Wände, die wirklich Kohlendioxid „atmen“

Das ETH-Team möchte nicht bei Laborproben stehen bleiben. Ziel ist es, das Material als eine Art aktive Oberflächenbeschichtung auf Gebäudefassaden zu bringen. Eine mit einem solchen Verbundstoff fertiggestellte Fassade wäre nicht mehr nur Schutz vor Regen – sie würde aktiv an der Kohlenstoffbilanz der gesamten Stadt arbeiten.

Auf der Architekturausstellung in Venedig präsentierten die Wissenschaftler Prototypen in Form organisch geformter „Stämme“. Jedes dieser Elemente kann laut ihren Berechnungen bis zu 18 kg CO₂ pro Jahr absorbieren. Das entspricht ungefähr der Menge, die ein durchschnittlicher erwachsener Nadelbaum im Alter von etwa zwanzig Jahren aufnimmt.

Während des 400-tägigen Experiments wurden die Proben allmählich dunkler und grüner, weil die Cyanobakterien intensiv Photosynthese betrieben. Gleichzeitig verhärtete sich das Material, während sich im Inneren Carbonatmineralien ansammelten. Etwas, das anfänglich an ein weiches Gel erinnerte, begann sich wie ein widerstandsfähiger halbfester Verbundstoff zu verhalten.

Das Material verliert im Laufe der Zeit nicht nur keine mechanischen Eigenschaften, sondern „reift“ regelrecht – es wird immer härter und widerstandsfähiger.

Biotechnologie beschleunigt grünes Bauwesen

Die ETH-Wissenschaftler betrachten diese Lösung bislang nur als ersten Schritt. Sie planen, die verwendeten Cyanobakterien gentechnisch zu verändern, um ihre photosynthetische Effizienz und Mineralisierungsgeschwindigkeit noch weiter zu steigern. Theoretisch könnte eine einzige Änderung im Stoffwechselweg dazu führen, dass derselbe Quadratmeter Fassade in kürzerer Zeit deutlich mehr CO₂ bindet.

Die Forscher denken auch über ein optimales System zur Nährstoffversorgung der Algen nach. In den bisherigen Versuchen verwendeten sie künstliches Meerwasser, das reich an Mineralsalzen ist. Unter realen städtischen Bedingungen kann das Material jedoch nicht ständig in eine solche Lösung getaucht werden. Daher muss ein Weg gefunden werden, wie die notwendigen Elemente direkt in die Struktur des Verbundstoffs „eingebaut“ oder mit einem diskreten Bewässerungssystem verbunden werden können.

Energiesparende Alternative zu industriellen Anlagen

Ein großer Vorteil des lebenden Materials sind die niedrigen Energiekosten. Traditionelle Anlagen zur CO₂-Abscheidung erfordern oft hohe Temperaturen, leistungsstarke Ventilatoren und komplexe Chemie. Hier ist die Sonne der „Treibstoff“ und die gesamte Chemie läuft in den Algenzellen ab.

Die Cyanobakterien erledigen selbst den schwersten Teil der Arbeit: Sie entfernen Gas aus der Umgebungsluft, verarbeiten es und schließen es in Form eines steinernen Skeletts ein. Für Ingenieure bedeutet dies eine Technologie, die sich leicht in bestehende Infrastruktur integrieren lässt – beispielsweise als zusätzliche Schicht auf vorgefertigten Fassadenpaneelen.

Es geht nicht um Konkurrenz zu industriellen CO₂-Abscheidungsanlagen, sondern um ein ergänzendes Werkzeug, das die Architektur als Teil eines Pakets mit neuem Material erhalten kann.

Was das in Städten und im Bauwesen verändern kann

Wenn ähnliche Lösungen auf den Markt kommen, erhält der Begriff „nachhaltiges Gebäude“ eine völlig neue Dimension. Heute konzentriert sich grünes Bauen hauptsächlich auf die Reduzierung des Energieverbrauchs, Wärmedämmung oder Materialrecycling. Hier geht es um die aktive Entfernung von Treibhausgasen aus der Atmosphäre.

Stellen Sie sich ein Wohngebäude vor, das mit einer Schicht dieses Materials bedeckt ist. Jede Etage würde wie ein dünner „Waldstreifen“ funktionieren. Dutzende ähnlicher Gebäude in einer Siedlung könnten die jährlichen Emissionen eines örtlichen Heizwerks oder eines Teils der Autos aus der Umgebung neutralisieren. Das ist natürlich eine Vision für die kommenden Jahrzehnte, aber die Zahlen aus den Experimenten zeigen, dass es keine bloße Fantasie ist.

Chancen, Risiken und praktische Fragen

Vor dem Einsatz in großem Maßstab ergeben sich mehrere technische Fragen. Die Cyanobakterien müssen Frost, anhaltende Trockenheit, Kontakt mit Staub und Verschmutzung von belebten Straßen überleben. Es muss auch herausgefunden werden, wie oft ein solches Material „Wartung“ benötigt und ob es nach Jahren nicht anfängt abzublättern oder seine Eigenschaften zu verlieren.

Wichtig ist auch die Frage der gesundheitlichen Sicherheit – einige Cyanobakterienarten in natürlichen Gewässern produzieren Toxine. Wissenschaftler wählen daher sorgfältig sichere Stämme aus und schließen sie zudem in die Gelstruktur ein, sodass sie nicht in die Umwelt gelangen. Dennoch werden Bau- und Hygienevorschriften wahrscheinlich strenge Tests erfordern.

Wenn diese Hindernisse überwunden werden können, könnten Materialien mit lebenden Mikroorganismen in das Standardrepertoire der Werkzeuge von Architekten eingehen. Bereits heute wird mit Myzel als Ersatz für Polystyrol oder mit Ziegeln experimentiert, die mithilfe von Bakterien „gezüchtet“ werden. Algen fügen dem die Funktion der aktiven CO₂-Entfernung und Verfestigung der Konstruktion durch Mineralisierung hinzu.

Für den durchschnittlichen Gebäudenutzer ist am interessantesten, dass solche Lösungen nicht wie ein Labor aussehen müssen. Das Hydrogel ist unter der äußeren Abschlussschicht nicht sichtbar, oder es nimmt umgekehrt die Form skulptural geformter Paneele an, die der Fassade Charakter verleihen. Und dennoch arbeitet dort still eine riesige mikroskopische „Stadt“ von Organismen, die Tag für Tag Kohlendioxid in etwas so Hartes wie Stein verwandeln.