Die Baubranche steht vor einer enormen Herausforderung, denn die weltweit dominierende Verwendung von Portlandzement verursacht erhebliche CO2-Emissionen. Die Produktion von Zement zählt zu den größten industriellen Quellen von Kohlendioxid, verantwortlich für etwa sieben bis acht Prozent der globalen CO2-Emissionen. Dieses Problem erfordert dringend innovative Lösungen, die die Umweltbelastung verringern und gleichzeitig die hohen Anforderungen an Materialfestigkeit und Beständigkeit erfüllen. Bio-Beton, der mithilfe mikrobiell induzierter Calciumcarbonat-Ausfällung (MICP) hergestellt wird, bietet hierbei vielversprechende Potenziale. Gerade die Entwicklung hochfester Varianten dieses Bio-Betons könnte eine disruptive Veränderung in der Baustoffindustrie bewirken. Im Kern beruht Bio-Beton auf einer natürlichen biomineralischen Reaktion, bei welcher urease-positive Mikroorganismen Calciumcarbonat als Bindemittel ausfallen lassen.
Diese Mikroorganismen nutzen den Enzymkomplex Urease, um Harnstoff in Ammoniak und Bicarbonat umzuwandeln, woraufhin Calciumionen im Gemisch mit den Carbonat-Ionen reagieren und Calciumcarbonat-Kristalle bilden. Anders als beim konventionellen Zement, bei dessen Herstellung große Mengen CO2 freigesetzt werden, erfolgt die Bildung von Calciumcarbonat hier unter CO2-Bindung. So ist dieser Prozess im besten Fall CO2-neutral oder gar CO2-negativ, was für die ökologische Verträglichkeit ein entscheidender Vorteil ist. Eines der wesentlichen Probleme beim Einsatz von Bio-Beton war lange Zeit die vergleichsweise geringe Festigkeit und die ausreichende Durchdringung des Bindemittels in das Material, um tragfähige Bauteile herzustellen.
Neue Forschungen, beispielsweise von Maiia Smirnova und Kollegen, zeigen jedoch, dass durch gezielte Optimierung der Rohstoffmischung und des Herstellungsverfahrens Biobeton-Hochleistungsmaterialien mit einer Druckfestigkeit von über 50 Megapascal und einer ausreichenden Zementationstiefe von bis zu 140 Millimetern produziert werden können. Diese Werte erreichen und in Teilen sogar übertreffen sie die Mindestanforderungen für viele gängige Baustoffklassen, die aktuell mit Portlandzement erfüllt werden. Der Schlüssel zu dieser verbesserten Materialleistung liegt unter anderem in der Optimierung der Korngrößenverteilung des Gesteinsmaterials. Eine Mischung aus verschiedenen Sandkörnungen, abgestimmt auf die Andreassen-Kurve, maximiert die Packungsdichte und reduziert die Porosität. Je geringer das Volumen der Hohlräume zwischen den Körnern, desto höher die potenzielle Festigkeit des fertigen Betons, da mehr Bindemittel mit den Feststoffpartikeln verbunden werden kann.
Zusätzlich wird ein urease-aktives Calciumcarbonat-Pulver (UACP) anstelle von lebenden Bakterien eingesetzt. Dieses Pulver vereint die ureaseaktive Eigenschaft der Mikroorganismen mit der mineralischen Matrix, was zu einer stabileren, reproduzierbaren Biomineralisation führt und Probleme wie das Auswaschen von Bakterien während des Gießprozesses vermeidet. Ein weiterer Durchbruch ist die Implementierung eines automatisierten Stop-Flow-Druckinjektionssystems. Dieses Verfahren ermöglicht die kontrollierte Zufuhr der Zementationslösung in den verdichteten Sandkörper in Intervallen, sodass Verstopfungen im Porenraum reduziert und eine gleichmäßige Verteilung des Binderstoffs gewährleistet werden kann. Die Optimierung der Druckwerte während der Injektion wurde als kritisch erkannt, da zu hoher Druck den gleichmäßigen Aufbau der Calciumcarbonat-Brücken negativ beeinflussen kann, während zu niedriger Druck die Durchdringung des Stoffgemischs limitiert.
Während klassische selbstheilende Mauerwerksbausteine auf Bakterienkulturen angewiesen sind, beugt der Einsatz von UACP der Instabilität in der Bindemittelverteilung vor und steigert die Langlebigkeit der Bauteile. Die Forschung zeigt, dass die Verteilung und Bindung des Calciumcarbonats an den Partikeln eine Schichtdicke von circa 20 Mikrometern erreicht, wodurch ein besonders widerstandsfähiges Gerüst aus mineralischen Brücken entsteht. Elektronenmikroskopische Untersuchungen bestätigen diese homogene und dichte Zementation besonders im mittleren Bereich der Proben, sodass belastbare Bauelemente hergestellt werden können. Die technologische Entwicklung des hochfesten Bio-Betons könnte einen Paradigmenwechsel im Bauwesen fördern, indem sie nicht nur den ökologischen Fußabdruck reduziert, sondern auch neue ästhetische und konstruktive Freiheitsgrade eröffnet.
Die Möglichkeit, standardisierte, vorgefertigte Bauelemente aus Bio-Beton zu fertigen, birgt insbesondere im Bereich nachhaltiger Architektur enormes Potenzial. Sie umgehen Produktionsschwankungen, verbessern die Reproduzierbarkeit und ermöglichen durch das modulare Design schnelle Bauprozesse ohne den Einsatz klimaschädlicher Materialien. Ein wichtiger Aspekt ist zudem die Frage der Verstärkung der Bio-Betonkomponenten. Da herkömmliche Stahlbewehrung im Kontakt mit Calciumchlorid-haltigen Zementationslösungen korrodieren kann, bilden korrosionsbeständige Alternativen wie basaltfaserverstärkte Kunststoffe eine attraktive Option. So können Tragwerke dauerhaft stabil gehalten werden, ohne die Umweltvorteile des Bio-Betons zu vermindern. Auch wenn die Biomineralisation selbst CO2-bindend ist, ist die Gesamtökobilanz abhängig von der Herkunft der verwendeten Chemikalien, beispielsweise industriell hergestelltem Harnstoff.
Hier bestehen Ansätze, organische Reststoffe wie Urin als Rohstoffquelle zu verwenden, wodurch die Nachhaltigkeit weiter gesteigert und die Abhängigkeit von fossilen Energieträgern reduziert wird. Ebenso spielt die Wiederverwendung und das Recycling der Abwasserkonzentratreste mit Ammonium und Chlorid eine wichtige Rolle im geschlossenen Materialkreislauf. Die mechanischen Eigenschaften des Bio-Betons zeigen eine exponente Zunahme der Festigkeit mit steigender Dichte. Die elastischen Moduli orientieren sich im Bereich poröser keramischer Werkstoffe und sind damit durchaus vergleichbar mit herkömmlichen Betonvarianten. Herausforderungen bestehen noch in der Erreichung einer isotropen Materialstruktur, da die aktuell verwendeten Kompaktierungstechniken anisotrope Kennwerte in Abhängigkeit von der Schichtebene erzeugen. Hier können Kombinationen aus Pressen und Vibration zur weiteren Optimierung der Materialhomogenität beitragen.
Langfristig ist der Einsatz von hochfestem Bio-Beton nicht nur umweltrelevant, sondern auch wirtschaftlich interessant. Die Reduktion des Zementverbrauchs führt zu Einsparungen bei Rohmaterialien und Energiekosten. Gleichzeitig erschließt die flexible Formbarkeit und die reduzierte Schrumpfung der biomineralischen Bindung neue Gestaltungsspielräume, vom Design maßgeschneiderter Konstruktionselemente bis hin zu innovativen architektonischen Lösungen. Insgesamt zeigt die neuste Forschung, dass Hochleistungs-Bio-Beton keine ferner Zukunft mehr ist, sondern schon heute realistische Alternativen zu traditionellen Betonarten darstellt. Mit fortschreitender Entwicklung von Rohstoffquellen, Prozessoptimierung und industrieller Skalierung können nachhaltige Baukomponenten auf biologischer Basis sinnvolle Beiträge zur Erreichung globaler Klimaziele und zur erfolgreichen Transformation der Bauwirtschaft leisten.
Für Architekten, Bauingenieure und Materialwissenschaftler eröffnet sich ein Feld voller Innovationsmöglichkeiten, das Wirtschaftlichkeit, Umweltfreundlichkeit und technische Zuverlässigkeit miteinander verbindet.
