Das Verfahren basiert auf Cyanobakterien, die auch als Blaugrünbakterien bekannt sind. Diese Bakterien können Fotosynthese betreiben und dabei Kalkstein bilden und Stromatolithen formen. Diese steinartigen Gebilde gab es schon vor 3,5 Milliarden Jahren und zeigen, wie stabil dieser biologische Prozess ist. Wie damals wird auch heute CO₂ aus der Luft aufgenommen und im biogenen Gestein gespeichert.
Die Fraunhofer-Forscher haben es geschafft, diesen natürlichen Prozess technisch nachzuahmen. Unter der Leitung von Dr. Matthias Ahlhelm, der die Idee und den Anstoß für das Projekt gab, werden am Fraunhofer IKTS Materialien und Prozesse entwickelt, mögliche Füll- und Bindemittel ausgewählt und die Form- und Strukturgestaltung durchgeführt. Am Fraunhofer FEP wird unter der Leitung von Dr. Ulla König die Zucht der Cyanobakterien, die mikrobiologische Untersuchung und die Erhöhung der Biomasseproduktion umgesetzt.
Von Bakterienlösung zu Feststoff
Im ersten Schritt werden die lichtempfindlichen Cyanobakterien in einer Nährlösung gezüchtet, wobei das Licht, das sie bekommen, ihre Fotosynthese und ihren Stoffwechsel beeinflusst. Um die Mineralisierung wie bei den Stromatolithen zu erreichen, werden Calciumquellen wie Calciumchlorid hinzugefügt. Dann stellen die Forscher eine Mischung aus Hydrogelen und verschiedenen Füllstoffen her, zum Beispiel verschiedene Sandarten wie Meeres- oder Quarzsand. Zusätzliches CO₂ wird zugeführt, um den Gehalt an gelöstem Kohlendioxid zu erhöhen und den Prozess zu unterstützen.
Die gleichmäßig gemischte Bakterien-Füllstoff-Masse wird dann in Form gebracht, indem sie zum Beispiel in Formen gefüllt wird. Diese lassen am besten Licht durch, damit die Bakterien weiter Fotosynthese und Stoffwechsel betreiben können. Die darauffolgende Mineralisierung sorgt dann für die endgültige Verfestigung. Die Bakterien-Füllstoff-Masse kann auch durch Sprühen, Schäumen, Strangpressen oder additive Fertigung in die gewünschte Form gebracht werden, in der sie dann mineralisiert.
Alternativ können auch poröse Materialien hergestellt werden, die später mit der Cyanobakterienlösung behandelt werden: „Der entstehende Feststoff ist während des Prozesses noch porös, so kommt Licht ins Innere und fördert die CO₂-Aufnahme durch Kalkstein-Mineralisierung. Durch Entzug von Licht und Feuchtigkeit oder durch Änderung der Temperatur beenden wir den Prozess“, erklärt Matthias Ahlhelm. Alle Bakterien sterben dann vollständig ab. So entsteht ein festes Produkt aus biogenem Calciumcarbonat und Füllstoffen, das zum Beispiel als Ziegel verwendet werden kann. Die Bio-Baustoffe aus Cyanobakterien enthalten keine giftigen Stoffe.
Vom Dämmstoff bis zum Mörtel
Durch die gezielte Auswahl der Füllstoffe und die Steuerung der Prozess- und Mineralisierungsbedingungen können Produkte für verschiedene Anwendungsmöglichkeiten erzeugt werden. Diese reichen potenziell vom Dämmstoff über Ziegel und Schalungsverfüllung bis hin zum Mörtel oder Fassadenputz, der nach dem Aufbringen aushärtet.
Nachdem das Forscherteam den Prozess am Fraunhofer IKTS und am Fraunhofer FEP eingerichtet und getestet hat, arbeitet es nun an der Skalierung der Mengen und Bestimmung der gewünschten Feststoffeigenschaften. Ziel ist es, den Herstellern zu ermöglichen, die umweltfreundlichen Bio-Baustoffe schnell und wirtschaftlich in den benötigten Mengen zu produzieren.
