Lebendiger Baustoff aus Cyanobakterien: Fassaden binden CO₂

Während andernorts über Wärmepumpen, Dämmmaßnahmen und Verbote debattiert wird, verfolgen Schweizer Forschende einen grundlegend anderen Ansatz: Sie wollen Hausfassaden zu aktiven Klimaschützern machen. Im Mittelpunkt steht ein neuartiger Baustoff, der lebt, atmet, CO₂ aufnimmt und im Materialinneren kontinuierlich weiterwächst.

Wie aus Algen ein lebendiger Baustoff wird

Das Projekt basiert auf Cyanobakterien, die häufig auch als Blaualgen bezeichnet werden. Diese Mikroorganismen existieren seit über drei Milliarden Jahren und beherrschen die Photosynthese: Mithilfe von Sonnenlicht verwandeln sie Wasser und CO₂ in Sauerstoff sowie energiereiche Verbindungen.

Genau diese Eigenschaft machen sich die Forschenden der ETH Zürich zunutze. Sie integrieren die Cyanobakterien in ein spezielles Hydrogel, also einen porösen, mit Wasser gesättigten Gelkörper. Darin finden die Mikroorganismen ausreichend Feuchtigkeit, Licht und Kohlendioxid vor, um dauerhaft aktiv zu bleiben.

Der entscheidende Punkt: Die Blaualgen speichern den aufgenommenen Kohlenstoff nicht ausschließlich in ihrer Biomasse. Zusätzlich erzeugen sie feste Mineralien, die Kalkstein ähneln. Dadurch bildet sich schrittweise ein inneres Gerüst, das den Baustoff stabilisiert und den Kohlenstoff langfristig in einer festen, schwer löslichen Form bindet.

Der Baustoff wächst im Betrieb von innen heraus: Mehr CO₂ bedeutet mehr Mineralien, mehr Stabilität und mehr grünes „Leben“ im Material.

Weshalb die Mineralisierung so wichtig ist

Bei reiner Biomasse ist die CO₂-Speicherkapazität rasch begrenzt. Cyanobakterien wachsen nur über einen bestimmten Zeitraum, bevor sich ihr Wachstum deutlich abschwächt. In herkömmlichen Kulturen kommt es nach etwa 30 Tagen meist zu keiner nennenswerten Zunahme mehr.

Die Mineralisierung des Kohlenstoffs umgeht diese Einschränkung. Anstatt lediglich weiche Biomasse aufzubauen, bilden die Mikroorganismen mikroskopisch kleine Kristalle, welche das Gelinnere verstärken. So entsteht mit der Zeit ein festes Gerüst, das im Labor über mehr als ein Jahr stabil blieb.

3D-gedrucktes Hydrogel als Mini-Biotop für Cyanobakterien

Damit dieser Prozess funktioniert, ist eine präzise abgestimmte Umgebung erforderlich. An dieser Stelle kommt der 3D-Druck zum Einsatz. Das Team entwickelte ein Hydrogel, das sich exakt in frei wählbare Formen drucken lässt. Sein Aufbau ähnelt einem feinporigen Schwamm: viel Wasser, zahlreiche Hohlräume und eine große Oberfläche.

• ausreichende Lichtdurchlässigkeit für die Photosynthese
• genügend Wasser, damit die Mikroorganismen nicht austrocknen
• offene Poren, durch die CO₂ aus der Luft eindringen kann
• Raum für neu entstehende Mineralien, ohne dass das Material aufplatzt

Im Versuch erwies sich das System als bemerkenswert stabil: Die Cyanobakterien blieben über 400 Tage hinweg durchgehend aktiv. Je Gramm Material banden sie etwa 26 Milligramm CO₂ in mineralischer Form – deutlich mehr als vergleichbare biologische Verfahren zur Kohlenstoffbindung.

Vom Laborgel zur CO₂-bindenden Fassade

Die Forschenden wollen den Ansatz nicht auf Laborversuche beschränken. Ihr Ziel sind Fassaden und Bauelemente, die nicht allein optisch wirken, sondern aktiv CO₂ aus der Umgebungsluft aufnehmen. Denkbar wären Paneele, Vorsatzschalen oder dekorative Bauteile aus diesem lebenden Material.

Bei einer Architekturausstellung in Venedig stellte das Team bereits erste Prototypen vor. Die Elemente erinnerten optisch an organisch gewachsene Baumstämme. Jeder dieser „Stämme“ kann pro Jahr bis zu 18 Kilogramm CO₂ binden – ungefähr die Menge, die eine 20 Jahre alte Kiefer aufnimmt.

Ein Gebäude, das mit solchen Elementen verkleidet ist, würde sich wie ein kleiner Stadtwald verhalten – nur ohne Wurzeln und Blätter, direkt in der Fassade.

Mit fortschreitender Mineralisierung verändern sich die Prototypen auch sichtbar: Sie werden kompakter, härter und färben sich intensiver grün. Damit signalisiert das Material seinen „Gesundheitszustand“ und seine Aktivität beinahe wie eine Zimmerpflanze – nur als Bauteil.

Wie der Baustoff Schäden selbst ausgleichen kann

Die Bezeichnung „lebendiger Baustoff“ ist mehr als ein Marketingbegriff. Solange Wasser, Nährstoffe und Licht vorhanden sind, bleiben die Cyanobakterien aktiv. Dadurch können sie beschädigte Bereiche erneut besiedeln und wieder verstärken.

Bei kleinen Rissen produziert der Stoffwechsel der Mikroorganismen neue Mineralien. Diese können sich in schmalen Spalten absetzen und Schäden teilweise kompensieren. Es handelt sich nicht um ein Wundermaterial, das jeden Riss verschwinden lässt, wohl aber um einen deutlichen Unterschied zu leblosen, starren Baustoffen wie Beton.

Besonders denkbar wäre der Einsatz bei dünnwandigen Bauteilen oder Fassadenmodulen, die Witterungseinflüssen und Temperaturschwankungen ausgesetzt sind. Statt sofort ersetzt werden zu müssen, könnten sie sich innerhalb bestimmter Grenzen selbst wieder stabilisieren.

Wie nachhaltig ist der lebende Baustoff tatsächlich?

Der lebende Baustoff nutzt einen Vorgang, der auf der Erde ohnehin ständig stattfindet: die Photosynthese. Die notwendige Energie liefert die Sonne, sodass im Idealfall keine zusätzlichen Stromkosten für den Betrieb entstehen.

Im Unterschied zu vielen industriellen Methoden der CO₂-Abscheidung benötigt das System weder hohe Temperaturen noch aggressive Lösungsmittel oder aufwendige Drucktechnik. Die Mikroorganismen arbeiten bei Umgebungstemperatur, normalem Luftdruck und mit Wasser als zentralem Medium. Aus energetischer Sicht ist das deutlich günstiger als große technische Anlagen.

Die Forschenden unterstreichen, dass der neue Baustoff herkömmliche Klimaschutzmaßnahmen nicht ersetzen soll, sondern sie ergänzt. Gebäude könnten zu kleinen, dezentralen CO₂-Senken werden, die kontinuierlich, unauffällig und nebenbei arbeiten.

Biotechnologie als Turbolader für den lebenden Beton-Ersatz

Der derzeitige Prototyp verwendet natürliche Stämme von Cyanobakterien. Das Team blickt jedoch bereits weiter: Durch genetische Anpassungen könnte sich die Photosyntheseleistung steigern lassen, sodass pro Fläche und Zeit mehr CO₂ gebunden wird.

Mögliche Ansatzpunkte sind beispielsweise:

• eine optimierte Lichtnutzung, um auch bei diffusem oder schwachem Licht effizient zu arbeiten
• eine schnellere Mineralbildung für eine zügigere Verfestigung des Materials
• die Anpassung an starke Temperaturunterschiede an Fassaden
• integrierte Sicherheitsmechanismen, damit die Organismen außerhalb des Materials nicht überleben

Der Baustoff braucht allerdings nicht nur Licht und CO₂. Cyanobakterien sind auch auf Salze und Spurenelemente angewiesen, die bislang über eine künstliche Meerwasserlösung bereitgestellt wurden. Damit bleibt offen, wie sich diese Nährstoffe in reale Bauteile einbringen lassen, ohne fortlaufend Flüssigkeit zuführen zu müssen.

Risiken und Grenzen des Konzepts

So faszinierend der Ansatz auch wirkt, er wirft weiterhin Fragen auf. Fassaden sind Witterung, Verschmutzung, Tieren und Schadstoffen ausgesetzt. Ob die Mikroorganismen unter solchen Bedingungen über viele Jahre hinweg stabil bleiben, muss sich erst noch zeigen.

Auch die Baupraxis stellt Anforderungen: Für Brandschutz, Statik und Bauordnungen gibt es bislang keine eindeutigen Regelwerke für lebende Baustoffe. Zudem dauert die Zulassung neuer Materialien in vielen Ländern ohnehin Jahre. Realistisch dürfte die Entwicklung zunächst mit Pilotprojekten an Forschungsgebäuden oder Pavillons beginnen, bevor Wohnhäuser folgen.

Nicht an jedem Ort passt außerdem das Bild einer dauerhaft grünen Fassade. In stark verschatteten Straßenschluchten könnte den Mikroorganismen das nötige Licht fehlen. In extrem trockenen Regionen stellt sich wiederum die Frage der Bewässerung. Dort dürften hybride Konzepte nötig sein, etwa Kombinationen mit klassischen Baustoffen oder schattenspendenden Konstruktionen.

Was Begriffe wie Hydrogel und Cyanobakterien bedeuten

Hydrogele sind vielen Menschen indirekt aus Kontaktlinsen, Wundauflagen oder Hygieneartikeln bekannt. Dabei handelt es sich um vernetzte Polymere, die sehr große Wassermengen aufnehmen und speichern können, ohne zu zerfließen. Im Baustoff übernimmt das Hydrogel zugleich die Funktion eines Schwamms und eines tragenden Gerüsts.

Cyanobakterien sind keine „Algen“ im strengen Sinn, sondern Bakterien. Sie verhalten sich Pflanzen ähnlich, weil sie Photosynthese betreiben. In Gewässern können sie bei Massenauftreten problematisch werden, im kontrollierten technischen Einsatz lassen sie sich jedoch gezielt steuern.

Für Gebäudeanwendungen verwenden die Forschenden Stämme, die an salzhaltige Umgebungen angepasst sind. Das verringert das Risiko eines unkontrollierten Übergangs in Süßwassersysteme und verbessert zugleich ihre Widerstandsfähigkeit gegen Verdunstung sowie wechselnde Feuchtigkeit.

Wie ein Alltag mit atmenden Häusern aussehen könnte

Man stelle sich ein Wohnviertel in 20 oder 30 Jahren vor: An einigen Gebäuden sind modulare Elemente aus dem lebenden Material angebracht, ähnlich wie Kacheln oder vorgehängte Paneele. An sonnigen Stellen leuchten sie kräftig grün, in halbschattigen Bereichen erscheinen sie eher blass.

Sensoren könnten erfassen, wie viel CO₂ eine Fassade im vergangenen Monat gebunden hat. Ein Wartungsteam würde im Abstand einiger Jahre den Feuchtehaushalt und die Nährstoffversorgung kontrollieren. Statt komplette Bauelemente auszutauschen, könnten Techniker an einzelnen Stellen neues Wachstum anregen, etwa mit Sprühnebeln oder Nährstoffgelen.

Solche Bauteile wären vor allem für Stadtzonen mit hoher Luftbelastung denkbar: an großen Straßen, Parkhäusern, Logistikhallen oder Schulgebäuden. Überall dort, wo viel Fläche verfügbar ist und eine bewusst futuristische Optik erwünscht ist, könnte der lebende Baustoff eingesetzt werden.

Das Prinzip ließe sich zugleich im kleineren Maßstab nutzen: als lebende Sonnenschutzpaneele auf Balkonen, als freistehende „CO₂-Totems“ in Parks oder als Module an Bushaltestellen. Je stärker das System standardisiert wird, desto einfacher dürften sich weitere Anwendungen entwickeln lassen.