Bestimmte Bakterien können Sand und andere lose Körner zu festem Material verkleben. Das Verfahren gilt als vielversprechende, energiearme Alternative zu Zement. Bisher kam es vor allem zur Stabilisierung von Böden, zur Herstellung von Bauplatten sowie in der Forschung zum Einsatz. Eine Forscherin der ETH Zürich hat nun gezeigt, dass sich mit den Bakterien und digitaler Fertigung auch frei geformte architektonische Elemente bauen lassen.
Die Zementherstellung ist einer der größten CO2-Verursacher der Baubranche. Karen Antorveza Paez von der ETH Zürich forscht am Departement Architektur an einer Alternative, die ganz anders funktioniert: Statt Gestein bei über tausend Grad zu brennen, lässt sie Bakterien Sandkörner zu festen Bauteilen verkleben.
„Wir nutzen Bakterien, um eine Art mineralischen Klebstoff herzustellen“, erklärt Antorveza Paez. Mischt man bestimmte Bakterien mit Sand oder anderen festen Körnern, verbinden sie die Partikel zu einer festen Struktur aus mikroskopisch kleinen Kalzitkristallen, die sich ineinander verzahnen.
Bekanntes Verfahren, neues Einsatzgebiet
Das Verfahren heißt mikrobiell induzierte Kalziumkarbonat-Fällung, kurz MICP, oder einfach Biozementierung. Es ist nicht neu: Das dafür verwendete Bakterium Sporosarcina pasteurii wird seit Jahren in der Bodentechnik erforscht, etwa um lockeren Untergrund zu stabilisieren, und in der Betonforschung für sogenannten selbstheilenden Beton, bei dem eingebrachte Bakteriensporen Risse selbstständig verschließen.
Neu ist, wie Antorveza Paez das Verfahren einsetzt: nicht als Zusatz zu bestehenden Baustoffen, sondern als eigenständiges Material für die Architektur. Sie brachte dafür zwei bisher weitgehend getrennte Forschungsfelder zusammen: die Biozementierung und die digitale Fertigung. Zwar war schon länger bekannt, dass Bakterien unter gewissen Bedingungen Sand verfestigen können. „Was noch fehlte, waren Herstellungsverfahren, mit denen sich dieser biologische Prozess gezielt steuern und für architektonische Bauteile nutzen lässt“, erklärt sie.
Zwei Wege zum biogenen Bauteil
Im Rahmen ihrer Doktorarbeit sind drei wissenschaftliche Studien entstanden, die zwei unterschiedliche Fertigungswege beschreiben. Für den ersten, 3D-Druck mit Biozement, hat das Team eine „Bio-Tinte“ aus einem Gel auf Basis von Wasser und den Naturstoffen Alginat und Xanthan sowie Sand und lebenden Bakterien entwickelt. Wie bei einer herkömmlichen 3D-Druckpaste lässt sich mit der Bio-Tinte eine gewünschte Struktur drucken. Anschließend wird das gedruckte Objekt in ein Bad gegeben, das Harnstoff und Kalziumchlorid enthält.
Dort beginnt die Arbeit der Bakterien: Sie spalten den Harnstoff. Dabei nutzen sie ein Enzym namens Urease. Aus dieser Reaktion entstehen Karbonat-Ionen und – als Nebenprodukt – Ammonium. Das Karbonat und das Kalziumchlorid aus der Lösung verbinden sich zu Kalziumkarbonat, also Kalkstein – demselben Mineral, aus dem auch Muschelschalen oder Kalkgestein bestehen.
Der Kalk wächst dort im gedruckten Objekt, wo die Bakterien sitzen. Winzige Kristalle bilden sich zwischen den Sandkörnern und „verzahnen“ sich miteinander. Das ist der eigentliche Klebeeffekt: kein Kleber im klassischen Sinn, sondern ineinandergreifende Mineralkristalle, die die Körner mechanisch zusammenhalten.
Wie Kuchenbacken
Der ganze Vorgang dauert zwei bis fünf Tage, je nachdem, wie stark man das Bauteil aushärten möchte. Das Mineralisierungsbad wird dabei täglich erneuert, damit den Bakterien die Stoffe für die Kalkbildung nicht ausgehen. Am Ende wird das Objekt getrocknet – danach ist der Prozess abgeschlossen, die Struktur ist zu einem festen Mineral geworden und die Bakterien sind nicht mehr aktiv.
„Es ist ein bisschen wie beim Kuchenbacken“, vergleicht Antorveza Paez. „Man hat den Teig, der noch sehr formbar und zerbrechlich ist. Erst der Ofen macht daraus etwas Festes.“ Bei ihrem Verfahren übernehmen die Bakterien die Rolle des Ofens: Sie härten die gedruckte Struktur langsam aus, bis sie fest, verbunden und bei Raumtemperatur trocken ist – ganz ohne Hitze. Mit diesem Verfahren entstand unter anderem ein Fassadenelement (siehe Bild). Es kann zum Beispiel als Sonnenschutzelement oder auch als Trennwand dienen.
Schicht für Schicht
Ein zweiter Ansatz für eine architektonische Anwendung von Biozement ist das robotische Besprühen. Bei dieser Technik verzichten die Forschenden auf den Zwischenschritt des Tauchbads. Ein Roboterarm trägt wiederholt nacheinander Bakterien, die Mineralisierungsstoffe für die Kalkbildung sowie Sand auf eine Oberfläche auf und lässt diese so Schicht für Schicht in die Höhe wachsen. Vorbild dafür sind Stromatolithen, jene schichtweise aufgebauten Gesteinsformationen, die in der Natur entstehen, wenn Mikroorganismen über lange Zeit Mineralien ablagern.
An der Architekturbiennale Venedig 2025 lief das Verfahren sechs Monate lang ununterbrochen und ließ vor Publikum ein Objekt wachsen. „Wir konnten beweisen, dass sich der ganze Prozess der Biozementierung automatisieren lässt“, sagt Antorveza Paez. Die beiden Verfahren ergänzen sich: „Das Drucken geht eher in Richtung Bauelemente, das Sprühverfahren eher in Richtung Oberflächen“, erklärt Antorveza Paez.
Die Architektin arbeitet derzeit an einer dritten Studie, die sich mit den Auswirkungen der Biozementierung auf die Umwelt befasst und nach Lösungen sucht. Denn das Ammonium, das bei der Reaktion von Bakterien und Mineralisierungsbad entsteht, belastet die Umwelt stark. „Solange wir die Entsorgung dieses chemischen Nebenprodukts nicht mitdenken, ist Bauen mit Biozement leider nicht so nachhaltig“, so Antorveza Paez.
Langer Weg zu tragenden Strukturen
Noch sei Biozementierung eher mit Mörtel als mit tragendem Beton vergleichbar, räumt die Wissenschaftlerin ein. Der Vergleich mit Beton macht deutlich, wie viel Forschungsarbeit noch nötig ist: Dessen Formel – wie viele Körner welcher Grösse in welchem Verhältnis zusammenkommen – wurde über hundert Jahre hinweg optimiert und wird bis heute weiter verfeinert.
Bei der Biozementierung steht diese Arbeit gerade erst am Anfang: Man weiß zwar, dass sich Bakterien grundsätzlich mit bestimmten Körnungen kombinieren lassen, doch wie sich daraus ein möglichst stabiles und dauerhaftes Material machen lässt, muss die Forschung erst noch herausfinden. „Die grosse Frage ist nicht mehr, ob Biozement funktioniert, sondern wie gut wir seine Eigenschaften kontrollieren können“, sagt Antorveza Paez. Weitere Informationen >>>