Einen besseren Beton herstellen
Aufgrund seiner Festigkeit, Haltbarkeit, Effizienz, Sicherheit und seines geringen CO2-Ausstoßes ist Beton zum bevorzugten Baumaterial der Welt geworden. Da die Betoninfrastruktur auch eingebettete Metalle wie korrodierenden Stahl enthält, ist der Beton selbst anfällig für Risse und Zerfall, was letztendlich ein Sicherheitsrisiko darstellt. In jüngster Zeit hat sich selbstheilender Beton auf Bakterienbasis als vielversprechende Lösung für das Problem der Betonrissbildung herausgestellt. Die Marktattraktivität dieser Technologie ist jedoch aufgrund der allgemeinen Schwäche und Sprödigkeit des verwendeten Calciumcarbonats begrenzt. Mit unterstützender EU-Finanzierung haben Forschende der Technischen Universität Delft und der Cornell University Biocrete geschaffen, den weltweit ersten biologisch inspirierten, auf Bakterien basierenden, auf Belastung reagierenden Beton. „Der Vorteil von Biocrete liegt in der Mischung aus bioinspirierter Materialsynthese und zementartigem Materialdesign“, erklärt Damian Palin, Projektkoordinator von Biocrete und Marie-Skłodowska-Curie-Stipendiat. „Das Ergebnis ist ein Beton, der eine hervorragende Rissheilungswirkung, eine bessere Funktionsleistung und eine längere Lebensdauer bietet.“
Von Muscheln bis Zement
Inspiriert von der Muschelbildung schufen die Forschenden Biocrete, indem sie die Bildung von Calcitkristallen (Kalkstein) in anisotropen Agarose-Gelen kontrollierten. Daraus entwickelte sich ein Agarose-Calcit-Verbundmaterial mit verschiedenen Strukturfunktionalitäten. Mithilfe eines Agarose-Films mit einem faserigen Netzwerk konnten Forschende Calcitkristall-Verbundscheiben bilden, die parallel zu den Fasern ausgerichtet waren. Im Gegensatz dazu führten einachsig deformierte Agarose-Gelzylinder zu reiskornförmigen Kristallen. „Diese aufregende Zugabe richtungsspezifischer Strukturfunktionalität zu Kristallverbundwerkstoffen über entsprechend gestaltete Gele könnte die Tür zu Kristallverbundwerkstoffen mit anisotropen strukturfunktionalen Eigenschaften öffnen“, erklärt Palin. „Ein solches Material wäre besonders gut für Anwendungen geeignet, die beispielsweise in den Bereichen Konstruktion, Photonik sowie Energiespeicherung und -umwandlung eingesetzt werden.“
Auf dem Weg zu einem ressourcenschonenden zementhaltigen Material
Durch die Erweiterung unseres Verständnisses der Bildung von Calcitkristall-Verbundwerkstoffen in Polymergelsystemen hat das Projekt Biocrete den Grundstein für zusätzliche Forschungen zu bioinspirierten Baumaterialien gelegt. „Diese Arbeit hat zu unserem Verständnis beigetragen, wie die Natur ihre mineralisierten Gewebe bildet“, bemerkt Palin. „Es bietet auch eine vielversprechende Plattform für die rationelle Kontrolle bakterieninduzierter Mineralniederschläge für bakterienbasierte selbstheilende Betonanwendungen.“ Palin entwickelte und unterrichtete einen speziellen Kurs am irischen National College of Art and Design, um dieses Wissen mit der nächsten Generation von Konstruierenden zu teilen. Der Kurs stützte sich auf die Arbeit des Projekts und brachte die Studierenden durch eine Reihe von Vorträgen, Seminaren und Ortsbesichtigungen mit biologisch inspirierter Theorie und Praxis in Kontakt. „Ziel dieses Kurses war es, die Akzeptanz von biologisch inspiriertem Design zu fördern“, fügt Palin hinzu. Palin setzt seine Forschung nun über ein Stipendium am Trinity College Dublin fort. Er arbeitet an der Entwicklung von 3D-gedruckten Strategien auf Gelbasis zur Kontrolle der Struktureigenschaften von zementhaltigen Materialien. „Ich bin zuversichtlich, dass diese Arbeit zu einem ressourcenschonenden Material führen wird, das die gleichen strukturellen Anforderungen wie aktueller Beton erfüllen kann, während erheblich weniger Zement verwendet wird“, schließt Palin. „Solche zementhaltigen Materialien könnten eine Schlüsselrolle in Europa spielen, um das Nachhaltigkeitsziel zu erreichen, bis 2050 klimaneutral zu werden.“
Schlüsselbegriffe
Biocrete, Beton, zementhaltiges Material, Zement, Bauwesen, Infrastruktur, Gebäude, Verbundwerkstoffe, Nachhaltigkeit, klimaneutral
