Können Sie glauben, dass man aus Bakterien und Pilzen ein Haus bauen kann?

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Denovo Team

Hersteller: China Science Expo

Wenn Sie an Bioproduktion denken, denken Sie möglicherweise an Biopharmazeutika oder fortschrittliche Biokraftstoffe. Die Anwendungen dieses Bereichs gehen jedoch weit über diese Kategorien hinaus. Von Ethanol bis hin zu biologisch abbaubaren Kunststoffen wie Polymilchsäure verändert die Bioproduktion still und leise unseren Alltag. In jüngerer Zeit hat die Technologie ihren Weg in einen unerwarteten Bereich gefunden: den Wohnungsbau .

Zu den wichtigsten Anwendungen der Bioproduktion im Bauwesen zählen derzeit unter anderem „selbstreparierender Beton“, „Biozement“ und „Myzelmaterialien“. Diese innovativen Anwendungen zeigen nicht nur das enorme Potenzial der Biofabrikation im Bauwesen, sondern eröffnen uns auch eine völlig neue Dimension der Forschung und Anwendung.

Zementverlegung im Bauwesen

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Bacillus zur Reparatur von Wandrissen

Beton ist ein Baustoff aus Zement, Sand, Kies und Wasser in bestimmten Anteilen. Aufgrund seiner geringen Kosten, hohen Druckfestigkeit und hervorragenden Haltbarkeit wird es häufig in Tiefbauprojekten eingesetzt.

Obwohl Beton unter idealen Bedingungen eine lange Lebensdauer hat, die mit der von Naturstein vergleichbar ist, wird seine tatsächliche Lebensdauer oft erheblich verkürzt, da er über längere Zeit Wind, Sonne, Regen und Frost-Tau-Zyklen ausgesetzt ist, die durch den Wechsel der Winter- und Sommersaison verursacht werden. Dadurch erhöht sich nicht nur die Wartungshäufigkeit von Gebäuden, Brücken und Tunneln, sondern auch die Reparaturkosten steigen.

Hausrisse

(Bildnachweis: Foto vom Autor aufgenommen)

Um dieses Haltbarkeitsproblem zu lösen, haben Wissenschaftler Beton mit selbstheilenden Eigenschaften entwickelt. Inspiriert vom Selbstreparaturmechanismus menschlicher Knochenzellen durch Verkalkung entwickelte der niederländische Mikrobiologe Hendrik Jonkers ein Material namens „Biobeton“, dessen herausragendes Merkmal seine Selbstreparaturfähigkeit ist. Biobeton enthält einen Mikroorganismus namens Bacillus, der in einer Kalkumgebung überleben kann und in Sporenform fast zweihundert Jahre lang ohne Nahrung und Sauerstoff überleben kann.

Wird dieser Bazillus zur Herstellung von Beton mit Calciumlactat vermischt, werden die ruhenden Sporen durch eindringendes Regenwasser geweckt, sobald im Beton Risse entstehen. Diese wiederbelebten Sporen beginnen, Calciumlactat zu verbrauchen und setzen Calciumionen frei, die mit Carbonationen im Wasser reagieren und Calciumcarbonat (Kalkstein) bilden, wodurch die Risse automatisch repariert werden.

Nachdem die Reparatur abgeschlossen ist, dringt kein Regenwasser mehr ein und die Wachstumsumgebung ist zerstört. Die Sporen verfallen wieder in einen Ruhezustand und sind bereit, künftige Schäden zu bekämpfen. Untersuchungen zeigen, dass dieser Biobeton Risse von etwa 0,5 mm Breite in etwa drei Wochen selbst reparieren kann, wodurch die Lebensdauer des Gebäudes erheblich verlängert wird.

Dieser selbstheilende Beton würde nicht nur teure Wartungskosten sparen, sondern Gebäude auch sicherer machen. Aufgrund der relativ hohen Kosten dieser Technologie wurde sie jedoch bisher nicht in großem Umfang bei großen Bauprojekten eingesetzt.

Bazillus und selbstheilender Beton

(Bildquelle: Referenz [1])

Biozement mit Kieselalgen

Der Hauptbestandteil des oben erwähnten Betons ist Zement, der weltweit in großen Mengen produziert und verwendet wird. Allerdings trägt diese Branche auch erheblich zum weltweiten Kohlendioxidausstoß bei. Vor diesem Hintergrund hat die Bioproduktionstechnologie der Zementindustrie innovative Lösungen gebracht.

Kieselalgen sind einzellige autotrophe Mikroorganismen, die für ihre schnelle Vermehrung in Gewässern bekannt sind. Die Zellwände von Kieselalgen enthalten poröse Kieselsäure, eine Substanz, die die mechanische Festigkeit des Materials wirksam erhöhen kann.

Durch die Einbindung von Kieselalgen in den Zementherstellungsprozess, wodurch sogenannter „Biozement“ entsteht, ist es möglich, die mechanischen und rheologischen Eigenschaften von Zement zu verbessern und so die benötigte Zementmenge zu reduzieren. Dies trägt nicht nur zur Reduzierung der Kohlenstoffemissionen bei, sondern erhöht auch die biologische Bindung von Kohlenstoff. Allerdings ist diese Technologie derzeit mit Herausforderungen hinsichtlich der Kosteneffizienz konfrontiert.

Kieselalgen

(Bildquelle: Wikipedia)

Darüber hinaus haben Kieselalgen noch weitere Anwendungswerte. Beispielsweise wird Kieselalgenschlamm hergestellt. Dieser besteht aus Ablagerungen von Kieselalgen und anderem Plankton, die sich über Milliarden von Jahren entwickelt haben, und stellt eine neue Art umweltfreundlichen Materials dar . Dieses Material kann als Ersatz für Latexfarbe und Tapeten verwendet werden und ist eine ideale Wahl für die Wanddekoration in Villen, Hotels, Wohnungen, Krankenhäusern und anderen Orten.

Kieselalgenschlamm hat nicht nur eine reichhaltige Textur und eine sanfte Farbe, sondern auch eine starke physikalische Adsorptionskapazität. Es kann schädliche Substanzen in der Raumluft, wie freies Formaldehyd, Benzol, Ammoniak usw., wirksam absorbieren und durch Rauchen und Müll verursachte Gerüche beseitigen und so die Raumluft reinigen.

Kann Pilzmyzel zum Bau von Gebäuden verwendet werden?

Obwohl Pilze oft als „Gemüse“ angesehen werden, handelt es sich bei ihnen eigentlich nicht um Pflanzen, sondern um pilzliche Mikroorganismen .

Bemerkenswerter ist, dass wir täglich nur den Fruchtkörper des Pilzes essen. In Wirklichkeit befindet sich unter dem Pilz (oder im Inneren von verrottendem Holz) ein Hyphennetzwerk aus unzähligen Zellen, auch Myzel genannt.

Myzel

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Diese Hyphen sind die wichtigsten Struktureinheiten, die Pilze zum Aufnehmen, Transportieren und Speichern von Nährstoffen verwenden. Ihre Zellwände bestehen hauptsächlich aus Chitin, Glucan und Protein.

Die Zugfestigkeit von Chitin ist mit der von Kohlenstofffasern vergleichbar und es verfügt zudem über eine ausgezeichnete Wärmestabilität und Flammhemmung. Aufgrund dieser Eigenschaften steht Myzel im Fokus der Materialwissenschaft und wird zunehmend bei der Entwicklung und Herstellung von Baumaterialien eingesetzt.

In New York gibt es einen temporären biologisch abbaubaren Pavillon im Freien namens „Hy-Fi“. Der Pavillon besteht aus Myzelsteinen, die in nur fünf Tagen wachsen. Die Ziegel wurden dann zu drei ineinander verschlungenen zylindrischen Strukturen gestapelt, die mit ihrer einzigartigen Form sehr auffällig sind.

Myzelmaterialien zum Bau von Außenpavillons

(Bildquelle: Referenz [6])

Abschluss

Die Bioproduktionstechnologie hat der Bauindustrie bahnbrechende Innovationen beschert, von „selbstreparierendem Beton“, der die Lebensdauer von Gebäuden verlängert, über „Biozement“, der den Kohlenstoffausstoß reduziert, bis hin zu schnellen und effizienten „Myzelmaterialien“. Ich bin davon überzeugt, dass diese Biofabrikationstechnologien in naher Zukunft im Hausbau eine größere Rolle spielen werden und so unserem Wohnumfeld mehr Möglichkeiten und mehr Spaß verleihen.

Quellen:

[1]Henk M. Jonkers. Selbstheilender Beton: ein biologischer Ansatz. Springer Series in Materials Science, 2007, 100, 195-204.

[2] Yu Jian, Bao Yafang. Modifizierende Wirkung von Kieselgur als Hochleistungsbetonzusatzstoff. Baugips und zementartige Materialien, 2003, 12, 11-12.

[3] Guo Binda, Fang Congcong. Analyse des umweltfreundlichen Dekorationsmaterials Kieselalgenschlamm. Jiangxi Baumaterialien, 2017(19):286-286.

[4] Wang Jing, Ji Zhijiang, Zhang Jingjun et al. Forschung, Bewertung und Anwendungstechnologie von dekorativen Wandmaterialien aus Kieselalgenschlamm. Bauwissenschaft und -technologie, 2018, 366, 30-33.

[5]Ekaraj Paudel, Remko M. Boom, Els van Haaren et al. Auswirkungen der Zellstruktur und der Zellwandkomponenten auf die Wasserhaltekapazität von Pilzen. Journal of Food Engineering, 2016, 187: 106-113.

[6]Avinash Rajagopal. Hinter dem Pavillon „100 % Organic“ von Behind the Living für MoMA PS1Metropolis, 10.02.2014.