Biozement der ETH Zürich: Wie Bakterien Sand binden – und wo die Grenzen liegen

Forschende der ETH Zürich haben aus losem Sand bei Raumtemperatur freistehende Fassaden- und Trennwandelemente hergestellt. Sie nutzen dazu ein Bodenbakterium, das zwischen den Körnern kalksteinartige Kristalle wachsen lässt. Die Arbeit entstand im Rahmen der Doktorarbeit der Architektin Karen Antorveza Paez. Daraus gingen zwei digitale Fertigungsverfahren hervor, die Sand zu festen Architekturelementen verbinden. Der Kernanspruch lautet „baugeeignet“, doch die gemessenen Werte sprechen eine andere Sprache. Nach eigener Beschreibung des Teams verhält sich das Material wie Mörtel, nicht wie Konstruktionsbeton, und sein wichtigstes Nebenprodukt ist weiterhin ungelöst.

01So verkitten die Bakterien den Sand

Die zugrunde liegende Chemie ist die mikrobiell induzierte Calcitfällung (MICP). Sporosarcina pasteurii baut mithilfe des Enzyms Urease Harnstoff ab. In calciumreicher Umgebung fällt das dabei freigesetzte Carbonat als Calciumcarbonat aus. Die entstehenden Mineralkristalle verbinden die Körner mechanisch miteinander. Der Sand wird dabei weder verschmolzen noch aufgeschmolzen. Die Kristalle überbrücken die Kontaktpunkte zwischen den Körnern, die Festigkeit hängt also davon ab, wie viel Calcit entsteht und wo. Die Druckfestigkeit biomineralisierter Proben korreliert positiv mit der Menge des ausgefällten Calciumcarbonats.

Im Prinzip ist das nicht neu. MICP wurde bereits in selbstheilendem Beton und zur Verringerung der Bodenerosion eingesetzt. Der Beitrag der ETH besteht darin, das Verfahren als Fertigungsschritt für einen eigenständigen Werkstoff zu behandeln und nicht als Verbesserung bestehender Materialien.

02Zwei Fertigungswege

3D-Biozementdruck. Die Bio-Tinte besteht aus Sand, lebenden Bakterien und einem Gel auf Wasserbasis. Das Gel enthält Alginat und Xanthan. Es verleiht der Paste genug Fließgrenze, damit sie zwischen Düse und Bad ihre Form behält, und es trägt die Zellen. Nach der Extrusion wird die gedruckte Struktur in ein Zementationsbad aus 0,5 M CaCl₂ und 0,5 M Harnstoff getaucht. Die Mineralisierung dauert je nach geforderter Festigkeit zwei bis fünf Tage. Anschließend wird das Bauteil getrocknet, und die Bakterien sind nicht mehr aktiv. Antorveza Paez vergleicht das Verfahren mit Backen: Der Druck ist der weiche Teig, und die Bakterien übernehmen die Rolle des Ofens.

Die Geometrie spielt eine Rolle, weil die Reagenzien in das Bauteil diffundieren müssen. In einer Veröffentlichung von 2025 zu digital gefertigten biozementierten Strukturen berichten die Autoren, dass die Mikroorganismen in Geometrien mit größerer Oberfläche zur Umgebung mehr Calcit bildeten. Sie weisen außerdem darauf hin, dass frühere 3D-gedruckte MICP-Demonstratoren typischerweise kleiner als 10 cm waren, ihre eigenen Proben dagegen mehr als 20 cm Durchmesser hatten. Das begünstigt dünne, poröse, gitterartige Bauteile gegenüber massiven Blöcken.

Robotisches Sprühen. Ein Roboterarm trägt Sand, Bakterien und Mineralisierungssubstanzen in aufeinanderfolgenden Schichten auf, ganz ohne Tauchbad. Das Ziel sind Oberflächen statt einzelner Objekte. Laut Antorveza Paez eignet sich der Druck für Architekturelemente und das Sprühen für Oberflächen. Der Vorteil des Sprühens ist die Automatisierung: Der Prozess lief bei der Architekturbiennale Venedig 2025 sechs Monate lang ununterbrochen. Das Sprühen ist der weniger gut charakterisierte Weg. Der Druck ist als Werkstoff besser verstanden, beim Sprühverfahren besteht noch Arbeitsbedarf bei der inneren Struktur und den mechanischen Eigenschaften.

Die Ergebnisse des Teams sind in drei Veröffentlichungen dokumentiert, darunter die Druckstudie in npj Materials Sustainability. Sie erschienen in npj Materials Sustainability, Architectural Intelligence und Biotechnology Design.

03Was die Festigkeitswerte aussagen

Die Druckstudie liefert die klarsten Daten. Bei den Bio-Tinten-Proben lagen die mittleren Druckfestigkeiten bei 1,36 ± 0,46 MPa und 1,15 ± 0,38 MPa für die beiden biotischen Gruppen, gegenüber 1,06 ± 0,11 MPa bei abiotischen Kontrollproben. Der Unterschied war statistisch nicht signifikant. Mit anderen Worten: Bei dieser Bio-Tinte leisteten Gel und Sandpackung einen Großteil der Arbeit. In gedruckten Gittern reichten die Festigkeiten von etwa 0,59–1,31 MPa bei abiotischen Proben bis 0,52–2,18 MPa bei biotischen, je nach Gittergeometrie und Belastungsrichtung. Bei weitmaschigen Gittern steigerte die Biozementation Festigkeit und Steifigkeit tatsächlich: Die Druckfestigkeit stieg in zwei Orientierungen um 86 % und 61 %. Die Autoren räumen ein, dass die Festigkeiten unter denen tragender zementgebundener Werkstoffe bleiben.

Andere MICP-Arbeiten zeigen, was mit anderen Protokollen möglich ist:

Die letzte Zeile beschreibt ein anderes System. Es erreichte eine einaxiale Druckfestigkeit von über 50 MPa bei 140 mm Zementationstiefe, indem die Packungsdichte des Zuschlags maximiert wurde. Die Autoren schlagen vorgefertigte tragende Bauteile vor, in denen es herkömmlichen Beton teilweise ersetzen könnte. Dabei handelt es sich um eine verdichtete, optimierte Probe, nicht um ein gedrucktes, gelgestütztes Gitter. Die Lücke zwischen etwa 2 MPa und 50 MPa zeigt, dass die Bindemittelchemie deutlich mehr leisten kann. Die Grenze liegt bei Packungsdichte, Reagenzientransport und Gleichmäßigkeit. Dazu passt die offene Frage der ETH zur Korngröße: Die Partikelgröße des Sandes beeinflusst weiterhin Endfestigkeit und Porosität, weshalb weitere Tests nötig sind.

Zum Vergleich: Eine Patentquelle nennt für hochfeste Betonanwendungen allgemein mindestens 40 MPa. Die gedruckten Teile der ETH liegen ein bis zwei Größenordnungen darunter. Daher die vorgesehenen Einsatzzwecke: Fassadenelemente, Sonnenschutz und Trennwände.

04CO₂-Bilanz: vielversprechend, aber noch nicht belegt

Die Motivation ist real. Die Zementherstellung verursacht rund 7 bis 8 % der weltweiten CO₂-Emissionen. Sie benötigt Öfen, die bei über 1.000 °C laufen. MICP kommt ohne diese Hitze aus, und eine Veröffentlichung argumentiert, bei der Biomineralisierung entstehe kein prozessbedingtes CO₂. Diese Aussage steht unter Vorbehalt. Gesamtergebnisse hängen von Reagenzien, Aushärtung und Nebenprodukten ab:

• Ein Ökobilanzvergleich für die Bodenstabilisierung bezifferte MICP auf 4,3 kg CO₂ pro Tonne stabilisierten Bodens, etwa 86 % weniger als bei der Zementstabilisierung. Dieselbe Arbeit stellte fest, dass die MICP-Emissionen in manchen Anwendungen über denen herkömmlicher Materialien liegen und die Aufbereitung der Rohstoffe dominiert. Sie fand außerdem einen nahezu vollständigen Verlust der Druckfestigkeit nach 10 Frost-Tau-Wechseln.
• Eine separate Bewertung eines verwandten enzymbasierten Verfahrens ergab bei der Bodenstabilisierung ein um 3 % geringeres Treibhauspotenzial als bei Portlandzement. Das ist ein weit kleinerer Vorteil.

Dies sind Studien zur Bodenstabilisierung, keine Bewertungen gedruckter Architekturbauteile. In den von mir gefundenen Quellen taucht keine Ökobilanzzahl für das ETH-Verfahren auf.

Das Ammoniumproblem ist die schärfste Einschränkung. Chemisch liefert die ureolytische Reaktion zwei Mol Ammonium pro Mol ausgefälltes Calciumcarbonat. Es ist ein Schadstoff, insbesondere für Gewässer. Antorveza Paez sagt, ohne Umgang mit dem Nebenprodukt sei Biozement „leider nicht nachhaltig“. Ein Verfahren mit Reagenzienbädern verschärft das, weil jeder Kubikmeter gedruckten Bauteils ein Volumen ammoniumbelasteter Flüssigkeit zurücklässt. Die ETH untersucht nun die weiteren Umweltauswirkungen und Möglichkeiten, das Ammonium zu handhaben oder zu vermeiden, darunter Aufbereitung, Rückgewinnung und alternative biologische Reaktionswege. Eine dritte Studie dazu ist in Arbeit.

05Was noch unbewiesen ist

Vier Punkte stehen zwischen diesem Verfahren und dem Einsatz am Bau:

1. Festigkeit. Gedruckte Teile erreichen etwa 1–2 MPa. Um die Lücke zu tragenden Festigkeiten zu schließen, braucht es bessere Packung, tiefere und gleichmäßigere Zementation und vermutlich andere Geometrien.
2. Dauerhaftigkeit. Die in verwandten MICP-Bodenarbeiten berichtete Frost-Tau-Empfindlichkeit ist ein Warnsignal für Außenfassaden in kalten Klimazonen. Zur Langzeitbewitterung lagen in den von mir geprüften Quellen keine Angaben aus den ETH-Veröffentlichungen vor.
3. Umgang mit dem Nebenprodukt. Ohne einen glaubwürdigen Weg zur Ammoniumaufbereitung oder -rückgewinnung trägt das Argument der CO₂-Armut nicht.
4. Maßstab und Kosten. Gedruckte Demonstratoren überschreiten inzwischen 20 cm. Geschosshohe Paneele, mehrtägige Bäder und Reagenzienlogistik sind im Gebäudemaßstab ungetestet. Ein Vergleich von Sandstabilisierungsverfahren nennt hohe Kosten als Nachteil von MICP.

Das Ergebnis lässt sich am besten als glaubwürdiger, hitzefreier Weg zu geometrisch komplexen mineralischen Bauteilen der Mörtelklasse lesen, etwa für Sonnenschutz, Raumteiler und Trennwände. Ein Zementersatz ist es noch nicht. Die Festigkeitswerte anderer Labore deuten darauf hin, dass es stärker werden könnte. Die Ammoniumbilanz wird entscheiden, ob es auch sauberer ist.