WISSENSCHAFTLER ERSCHAFFEN LEBENDEN BETON

Autor des Originaltextes: Amos Zeeberg

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

„Frankensteins Material“

...voller photosynthetischer Mikroben und schließlich aus ihnen hergestellt. Und er kann sich vermehren.

Wil Srubar, links im Bild, Bauingenieur an der University of Colorado, Boulder, und eine Studentin der Werkstoffwissenschaften. Sarah Williams hält Ziegel aus Baumaterialien, die aus Cyanobakterien und weiteren Stoffen hergestellt wurden.

Seit Jahrhunderten stellen Bauleute Beton auf nahezu gleiche Weise her: Sie mischen harte Materialien wie Sand mit verschiedenen Bindemitteln und hoffen, dass er lange stark und stabil 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 vermehren kann.

Die Mineralien in dem neuen Material werden nicht chemisch abgelagert, sondern durch Cyanobakterien, eine weit verbreitete Gruppe von Mikroben, die Energie durch Photosynthese gewinnen. Der photosynthetische Prozess bindet Kohlendioxid, im Gegensatz zur Herstellung von herkömmlichem Beton, die enorme Mengen an Treibhausgasen freisetzt.

Photosynthetische Bakterien verleihen dem Beton außerdem eine ungewöhnliche Eigenschaft: eine grüne Farbe. „Es sieht wirklich wie Frankensteins Material aus“, sagte Wil Srubar, Bauingenieur und Leiter des Forschungsprojekts. (Wenn das Material trocknet, verblasst die grüne Farbe.)

Andere Wissenschaftler haben bereits daran gearbeitet, Biologie in Beton zu integrieren, insbesondere Beton, der seine eigenen Risse heilen kann. Nach Angaben der Entwickler liegt der Hauptvorteil des neuen Materials darin, dass anstatt Bakterien in herkömmlichen Beton – eine lebensfeindliche Umgebung – einzubringen, ihr Verfahren auf die Bakterien selbst ausgerichtet ist: Sie werden dazu gebracht, Beton aufzubauen, und für eine spätere Verwendung am Leben erhalten.

Der neue, lebendige Beton

...beschrieben in der Fachzeitschrift Matter, „stellt eine neue und spannende Klasse von kohlenstoffarmen, gezielt entworfenen Baumaterialien dar“, sagte Andrea Hamilton, Betonexpertin an der Strathclyde University in Schottland.

Bei der Herstellung des lebendigen Betons versuchten die Wissenschaftler zunächst, Cyanobakterien in eine Mischung aus warmem Wasser, Sand und Nährstoffen einzubringen. Die Mikroben nahmen begierig Licht auf und begannen, Calciumcarbonat zu produzieren, das die Sandpartikel nach und nach verband. Dieser Prozess war jedoch langsam – und Darpa, der Forschungsarm des Verteidigungsministeriums für zukunftsweisende Projekte und Geldgeber des Vorhabens, wollte, dass der Bau sehr schnell voranschreitet. Notwendigkeit, ein glücklicher Zufall und eine daraus geborene Erfindung.

Ein Bogen aus lebendigen Baumaterialien in Dr. Srubars Labor

Dr. Srubar hatte zuvor mit Gelatine gearbeitet, einem Lebensmittelzutat, die, in Wasser gelöst und abgekühlt, besondere Bindungen zwischen ihren Molekülen bildet. Wichtig ist, dass sie bei moderaten, für Bakterien schonenden Temperaturen verwendet werden kann. Er schlug vor, Gelatine hinzuzufügen, um die von den Cyanobakterien gebildete Matrix zu verstärken, und das Team war neugierig.

Die Wissenschaftler kauften Gelatine der Marke Knox in einem örtlichen Supermarkt und lösten sie in einer Lösung mit Bakterien auf. Als sie die Mischung in Formen gossen und im Kühlschrank abkühlten, bildete die Gelatine ihre Bindungen aus – „genau wie beim Herstellen von Jell-O“, sagte Dr. Srubar. Die Gelatine sorgte für mehr Struktur und wirkte mit den Bakterien zusammen, wodurch der lebendige Beton stärker und schneller wuchs.

Innerhalb von etwa einem Tag bildete die Mischung Betonblöcke in der Form jeder verwendeten Gussform, darunter fünf Zentimeter große Würfel, schuhkartongroße Blöcke und Dachteile mit Stützen und Aussparungen. Die einzelnen fünf Zentimeter großen Würfel waren stark genug, damit eine Person darauf stehen konnte, obwohl das Material im Vergleich zu herkömmlichem Beton schwächer ist. Die schuhkartongroßen Blöcke zeigten Potenzial für den tatsächlichen Bauwesen-Einsatz.

Erste Experimente

„Als wir zum ersten Mal mit diesem System eine große Struktur herstellten, wussten wir nicht, ob es funktionieren würde; wir vergrößerten von dieser kleinen Größe zu diesem großen Ziegel“, sagte Chelsea Heveran, eine ehemalige Postdoktorandin der Gruppe – heute Ingenieurin an der Montana State University – und Hauptautorin der Studie. „Wir zogen ihn aus der Form und hielten ihn – er war wunderschön, leuchtend grün, und an der Seite stand das Wort ‚Darpa‘.“ (Die Form trug den Namen des Geldgebers des Projekts.) „Es war das erste Mal, dass wir den Maßstab erreichten, den wir uns vorgestellt hatten, und es war wirklich aufregend.“

Als die Gruppe kleine Proben zu einem regelmäßigen Statustreffen mit Vertretern von Darpa mitbrachte, waren diese begeistert, sagte Dr. Srubar: „Jeder wollte eines auf seinem Schreibtisch haben.“

Bei relativ trockener Luft und Raumtemperatur gelagert, erreichen die Blöcke innerhalb von Tagen ihre maximale Festigkeit, und die Bakterien beginnen allmählich abzusterben. Doch selbst nach mehreren Wochen sind die Blöcke noch lebendig; werden sie erneut großer Hitze und Feuchtigkeit ausgesetzt, erholen sich viele Bakterienzellen von selbst.

Die Gruppe kann einen Block nehmen, ihn mit einer Diamantspitze zerschneiden, eine Hälfte zurück in ein warmes Bad mit einer größeren Menge an Rohstoffen geben, in eine Form gießen und erneut mit der Betonherstellung beginnen. Jeder Block könnte so drei neue Generationen hervorbringen und somit acht Nachkommen erzeugen.

Das Verteidigungsministerium ist daran interessiert, die Fortpflanzungsfähigkeit dieser „LBM“ – lebendigen Baumaterialien – zu nutzen, um den Bau in abgelegenen oder kargen Umgebungen zu unterstützen. „Man möchte nicht mit einer Menge Material in die Wüste fahren“, sagte Dr. Srubar.

Der Vorteil der Blöcke besteht darin

...dass sie aus verschiedenen gängigen Materialien hergestellt werden. Die meiste Betonherstellung erfordert unberührten Sand aus Flüssen, Seen und Ozeanen, der weltweit knapp wird, insbesondere aufgrund der enormen Nachfrage nach Beton. Das neue lebendige Material ist nicht so wählerisch. „Wir sind nicht auf eine bestimmte Sandart festgelegt“, sagte Dr. Srubar. „Wir könnten Abfallmaterialien wie gemahlenes Glas oder recycelten Beton verwenden.“

Das Forschungsteam arbeitet daran, das Material praxistauglicher zu machen, indem es den Beton verstärkt; die Widerstandsfähigkeit der Bakterien gegen Austrocknung erhöht; die Anordnung der Materialien so verändert, dass sie flach gestapelt und leicht wie eine Gipskartonplatte zusammengesetzt werden können; und eine andere Art von Cyanobakterien findet, die keine Zugabe von Gelatine benötigen.

Dr. Srubar sagte, dass Werkzeuge der synthetischen Biologie das Feld der Möglichkeiten drastisch erweitern könnten: zum Beispiel Baumaterialien, die giftige Chemikalien erkennen und darauf reagieren können, oder die aufleuchten, um strukturelle Schäden sichtbar zu machen. Lebendiger Beton könnte in noch raueren Umgebungen als den trockensten Wüsten helfen; auf anderen Planeten, etwa dem Mars.

„Es gibt keine Möglichkeit, Baumaterialien ins Weltall zu transportieren“, sagte Dr. Srubar. „Wir bringen die Biologie mit uns.“