Die Bauindustrie steht vor einer enormen Herausforderung: Einerseits ist Beton als Baustoff unverzichtbar für die Infrastruktur moderner Gesellschaften, andererseits ist die Herstellung von herkömmlichem Portlandzement extrem energieintensiv und verursacht erhebliche CO2-Emissionen. Rund sieben bis acht Prozent der globalen CO2-Emissionen entfallen allein auf die Zementherstellung, was die Suche nach klimafreundlichen Alternativen zwingend erforderlich macht. Hier setzt der Bio-Beton, auch bekannt als biomineralisierter Beton, an und verspricht, nicht nur ökologisch nachhaltiger, sondern auch technisch leistungsfähig zu sein. Bio-Beton basiert auf dem Prozess der mikrobiel induzierten Calciumcarbonat-Ausscheidung (MICP). Dabei nutzen bestimmte mikrobiologische Organismen, vor allem urease-positive Bakterien wie Sporosarcina pasteurii, enzymatische Prozesse, um Calciumcarbonat (CaCO3) in Form von Kristallen als Bindemittel zwischen den Baustoffpartikeln zu erzeugen.
Anders als bei konventionellem Beton, dessen Festigkeit vor allem durch den hydratationschemischen Prozess des Zements erreicht wird, agieren bei Bio-Beton Mikroorganismen als natürliche Architekten, die eine mineralische Brücke im Baustoffgefüge schaffen. Ein entscheidender Vorteil von Bio-Beton liegt in seinem potenziell CO2-neutralen beziehungsweise CO2-negativen Charakter. Während bei der Herstellung von Portlandzement große Mengen an Kohlendioxid freigesetzt werden, bindet der MICP-Prozess Kohlenstoff in Form von Carbonaten dauerhaft im Material. Somit entsteht keine zusätzliche CO2-Belastung während der Biomineralisierung, sondern eine Speicherung von Kohlendioxid. Bei optimaler Herstellung kann der Einsatz von Bio-Beton signifikant zur Reduktion von Treibhausgasen im Bausektor beitragen. Bislang war es jedoch eine wesentliche Herausforderung, die mechanischen Eigenschaften von Bio-Beton mit denen von herkömmlichem Beton vergleichbar zu machen.
Die Druckfestigkeit ist ein entscheidendes Qualitätskriterium für Baumaterialien, insbesondere wenn sie als tragende Elemente zum Einsatz kommen sollen. Die Forschung konnte Fortschritte erzielen, indem der Prozess der Biomineralisierung optimiert wurde und die Zusammensetzung des Bio-Betons gezielt angepasst wurde. Ein bedeutender Durchbruch wurde durch die Verwendung von urease-aktivem Calciumcarbonat-Pulver (UACP) erzielt. Im Gegensatz zur direkten Zugabe lebender Bakterienzellen, die im Betonmischgut schwer kontrollierbar sind oder während des Biomineralisierungsprozesses ausgewaschen werden können, ermöglicht UACP eine stabile urease-Aktivität und eine gesteigerte Effizienz der Calciumcarbonatbildung. Die Kalzifikation erfolgt gleichmäßig und kontrolliert, was zu einer homogenen Zementierung des Materials führt. Darüber hinaus spielen die physikalische Struktur und das Korngrößenspektrum der Zuschlagstoffe eine zentrale Rolle.
Mittels Mathematik und Simulationen wurde eine optimale Packungsdichte der Sandkörner und anderen Aggregaten ermittelt, die als Grundlage für eine maximale Festigkeit dienen kann. Ein homogener und dichter Aufbau der Mineralpartikel reduziert Porosität und erhöht damit neben der Druckfestigkeit auch die Dauerhaftigkeit des Baustoffs. Ein weiterer Fortschritt ergab sich durch das Verwenden eines automatisierten, druckbasierten Stop-Flow-Injektionsverfahrens für die Zementationslösung. Dieses Verfahren erlaubt, die chemischen Reaktionslösungen gezielt und in Intervallen in das kompakte Mischgut einzubringen, wodurch eine tiefe und gleichmäßige Biomineralisierung der gesamten Bauteildicke erreicht werden kann – in der neuen Forschung wurden Zementationstiefen von bis zu 140 Millimetern realisiert, eine Dimension, die für den Einsatz im konstruktiven Hochbau essenziell ist.
Die erzielten mechanischen Kennwerte können sich sehen lassen: Der Bio-Beton erreicht eine unkonfinierte Druckfestigkeit von über 50 Megapascal, was bereits für viele Anwendungsbereiche von herkömmlichem Beton in tragenden Strukturen ausreichend ist. Die Festigkeit entspricht somit der Klasse C20/25 herkömmlicher Betone, die für vorgefertigte Bauteile genutzt werden können. Das Potenzial, traditionelle Betonprodukte durch Bio-Beton teilweise zu ersetzen, ist damit greifbar geworden. Die mikrostrukturelle Analyse mittels Environmental Scanning Electron Microscopy (ESEM) zeigte, dass sich die Calciumcarbonatschichten gleichmäßig um die Sandkörner legen und feste Brücken zwischen den einzelnen Mineralpartikeln bilden. Diese Zusammensetzung verleiht dem Material seine mechanische Stabilität und die unverwechselbare Textur, die Bio-Beton mit natürlichen Kalksandsteinen vergleichbar macht. Trotz aller Fortschritte bestehen weiterhin Herausforderungen bei der großtechnischen Umsetzung.
Derzeit ist die Herstellung der benötigten Rohstoffe wie industriellen Harnstoff zwar energieintensiv, doch alternative Quellen wie Harnstoff aus Urin werden als nachhaltige Zukunftsoption diskutiert. Auch das Thema der Umweltverträglichkeit des Effluents – insbesondere die Ammonium- und Chloridfreisetzung – unterliegt einer intensiven Forschung, um kreislaufwirtschaftliche Ansätze und Rückgewinnungssysteme zu etablieren. Darüber hinaus kann die beabsichtigte Verwendung von Calciumchlorid als Calciumquelle Korrosionsprobleme bei konventioneller Stahlbewehrung verursachen. Deshalb werden alternative Bewehrungsmaterialien wie basaltfaserverstärkte Kunststoffe ins Auge gefasst, die korrosionsbeständig sind und somit optimal mit der chemischen Zusammensetzung von Bio-Beton harmonieren. Die Technik ist derzeit vor allem für die Herstellung von vorgefertigten Bauteilen interessant.
Die automatisierten Druckinjektionssysteme erlauben hier eine präzise Steuerung der Biomineralisierung, und die Formteile können individuell behandelt werden. Dies bietet nicht nur ökologische Vorteile, sondern auch Chancen für den modularen und ressourceneffizienten Bau. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass hochfester Bio-Beton eine vielversprechende Zukunftstechnologie im Bauwesen ist. Die Kombination aus biologischen Prozessen und innovativer Materialtechnik schafft nicht nur Baustoffe mit überzeugenden mechanischen Eigenschaften, sondern sorgt auch für eine deutliche Reduktion von CO2-Emissionen. Die weitere Entwicklung und Skalierung der Technologie haben das Potenzial, die Bauindustrie nachhaltiger und ressourcenschonender zu gestalten. Die Forschung steht noch am Anfang, doch die jüngsten Erfolge zeigen deutlich, dass Bio-Beton als tragfähige und nachhaltige Alternative zum herkömmlichen Beton schon bald in der Praxis Einzug halten könnte.
Für Architekten, Ingenieure und Umweltakteure eröffnet sich hier ein neues Kapitel der Baumaterialentwicklung mit positiven Auswirkungen auf Klima und Gesellschaft.
