Sable lié par des bactéries : le biociment de l'ETH Zurich et ses limites

Des chercheurs de l'ETH Zurich ont transformé du sable meuble en éléments de façade et de cloison autoportants, à température ambiante. Ils utilisent une bactérie du sol qui fait croître des cristaux semblables à du calcaire entre les grains. Ces travaux sont issus de la recherche doctorale de l'architecte Karen Antorveza Paez. Ils ont abouti à deux méthodes de fabrication numérique qui lient le sable en éléments architecturaux solides. L'argument phare est « de qualité construction », mais les chiffres mesurés disent le contraire. De l'aveu même de l'équipe, le matériau se comporte comme un mortier, pas comme un béton structurel, et son principal sous-produit n'a toujours pas de solution.

01Comment les bactéries cimentent le sable

La chimie en jeu est la précipitation de calcite induite par voie microbienne (MICP). Sporosarcina pasteurii décompose l'urée grâce à l'enzyme uréase. Dans un milieu riche en calcium, le carbonate ainsi libéré précipite sous forme de carbonate de calcium. Les cristaux minéraux obtenus lient mécaniquement les grains entre eux. Leur ajout ne fait ni fusionner ni fondre le sable. Ils font le pont entre les points de contact des grains, de sorte que la résistance dépend de la quantité de calcite formée et de l'endroit où elle se forme. La résistance en compression des éprouvettes biominéralisées est corrélée positivement à la quantité de carbonate de calcium précipité.

Rien de tout cela n'est nouveau dans son principe. La MICP a déjà été utilisée dans les bétons autocicatrisants et pour limiter l'érosion des sols. L'apport de l'ETH consiste à en faire une étape de fabrication d'un matériau autonome, plutôt qu'une amélioration de matériaux existants.

02Deux voies de fabrication

Impression 3D de biociment. La bio-encre est composée de sable, de bactéries vivantes et d'un gel aqueux. Ce gel contient de l'alginate et de la gomme xanthane. Il donne à la pâte un seuil d'écoulement suffisant pour qu'elle conserve sa forme entre la buse et le bain, et il transporte les cellules. Après extrusion, la structure imprimée est immergée dans un bain de cimentation composé de 0,5 M de CaCl₂ et de 0,5 M d'urée. La minéralisation prend de deux à cinq jours, selon la résistance recherchée. La pièce est ensuite séchée, et les bactéries ne sont plus actives. Antorveza Paez compare le procédé à la cuisson : l'impression est la pâte molle, et les bactéries tiennent lieu de four.

La géométrie compte, car les réactifs doivent diffuser dans la pièce. Dans un article de 2025 sur les structures biocimentées fabriquées numériquement, les auteurs rapportent que les micro-organismes produisaient davantage de calcite dans les géométries offrant plus de surface exposée à l'environnement. Ils notent aussi que les précédents démonstrateurs de MICP imprimés en 3D mesuraient généralement moins de 10 cm, alors que leurs échantillons dépassaient 20 cm de diamètre. Cela favorise les pièces minces, poreuses, de type treillis, plutôt que les blocs pleins.

Projection robotisée. Un bras robotisé applique le sable, les bactéries et les substances de minéralisation par couches successives, sans bain d'immersion. L'objectif visé est celui des surfaces plutôt que des objets distincts. Selon Antorveza Paez, l'impression convient aux éléments architecturaux et la projection aux surfaces. Son atout est l'automatisation : le procédé a fonctionné en continu pendant six mois à la Biennale d'architecture de Venise 2025. La projection est la voie la moins bien caractérisée. L'impression est mieux comprise en tant que matériau, et le procédé de projection demande encore du travail sur sa structure interne et ses performances mécaniques.

Les résultats de l'équipe figurent dans trois articles, dont l'étude sur l'impression publiée dans npj Materials Sustainability. Ils ont paru dans npj Materials Sustainability, Architectural Intelligence et Biotechnology Design.

03Ce que disent les chiffres de résistance

L'article sur l'impression fournit les données les plus claires. Pour les éprouvettes de bio-encre, les résistances moyennes en compression étaient de 1,36 ± 0,46 MPa et de 1,15 ± 0,38 MPa pour les deux groupes biotiques, contre 1,06 ± 0,11 MPa pour les témoins abiotiques. La différence n'était pas statistiquement significative. Autrement dit, pour cette bio-encre, le gel et l'empilement des grains de sable faisaient une grande partie du travail. Dans les treillis imprimés, les résistances allaient d'environ 0,59–1,31 MPa pour les éprouvettes abiotiques à 0,52–2,18 MPa pour les éprouvettes biotiques, selon la géométrie de la grille et la direction de chargement. La biocimentation a bien augmenté la résistance et la rigidité des grilles peu denses : la résistance en compression a progressé de 86 % et de 61 % dans deux orientations. Les auteurs reconnaissent que ces résistances restent inférieures à celles des matériaux structurels à base de ciment.

D'autres travaux sur la MICP montrent ce que permettent des protocoles différents :

La dernière ligne relève d'un système différent. Il a atteint une résistance non confinée supérieure à 50 MPa avec une profondeur de cimentation de 140 mm, en maximisant la densité de compactage des granulats. Les auteurs suggèrent d'en faire des composants porteurs préfabriqués, qui pourraient remplacer en partie le béton traditionnel. Il s'agit d'une éprouvette compactée et optimisée, pas d'un treillis imprimé soutenu par un gel. L'écart entre ~2 MPa et 50 MPa montre que la chimie du liant peut fournir bien davantage. La limite tient à la densité de compactage, au transport des réactifs et à l'uniformité. La question que l'ETH laisse ouverte sur la granulométrie va dans ce sens : la taille des particules de sable influence encore la résistance finale et la porosité, d'où la nécessité de nouveaux essais.

À titre de repère, une source brevet indique que les applications de béton à haute résistance exigent généralement au moins 40 MPa. Les pièces imprimées de l'ETH se situent un à deux ordres de grandeur en dessous. D'où les usages visés : éléments de façade, brise-soleil et cloisons.

04Empreinte carbone : prometteuse, pas encore démontrée

La motivation est réelle. La production de ciment représente environ 7 à 8 % des émissions mondiales de CO₂. Elle nécessite des fours fonctionnant au-dessus de 1 000 °C. La MICP évite cette chaleur, et un article soutient qu'aucun CO₂ lié au procédé n'est généré pendant la biominéralisation. Cette affirmation appelle des réserves. Les résultats sur l'ensemble du procédé dépendent des réactifs, de la cure et des sous-produits :

• Une comparaison de cycle de vie pour la stabilisation des sols a estimé la MICP à 4,3 kg de CO₂ par tonne de sol stabilisé, soit environ 86 % de moins que la stabilisation au ciment. Le même article a constaté que, dans certaines applications, les émissions de la MICP dépassent celles des matériaux traditionnels, la préparation des matières premières étant prépondérante. Il a aussi relevé une perte quasi totale de résistance en compression après 10 cycles gel-dégel.
• Une évaluation distincte d'une méthode apparentée fondée sur une enzyme a trouvé un potentiel de réchauffement global inférieur de 3 % à celui du ciment Portland pour la stabilisation des sols. L'avantage est bien plus faible.

Ce sont des études sur la stabilisation des sols, non des évaluations de composants architecturaux imprimés. Aucune donnée de cycle de vie pour le procédé de l'ETH n'apparaît dans les sources que j'ai pu trouver.

Le problème de l'ammonium est la contrainte la plus aiguë. Chimiquement, la réaction uréolytique produit deux moles d'ammonium par mole de carbonate de calcium précipité. C'est un polluant, notamment pour l'eau. Antorveza Paez affirme que, sans traitement du sous-produit, le biociment n'est « malheureusement pas durable ». Un procédé par bains de réactifs aggrave le problème, car chaque mètre cube de pièce imprimée laisse derrière lui un volume de liqueur chargée en ammonium. L'ETH examine désormais l'impact environnemental global et les moyens de gérer ou d'éviter l'ammonium, notamment le traitement, la récupération et d'autres voies biologiques. Une troisième étude à ce sujet est en cours.

05Ce qui reste à démontrer

Quatre obstacles séparent ce travail d'un usage dans la construction :

1. Résistance. Les pièces imprimées se situent autour de 1 à 2 MPa. Combler l'écart avec les résistances structurelles suppose un meilleur compactage, une cimentation plus profonde et plus uniforme, et probablement d'autres géométries.
2. Durabilité. La sensibilité au gel-dégel rapportée dans des travaux apparentés de MICP sur les sols est un signal d'alerte pour les façades extérieures en climat froid. La tenue au vieillissement à long terme n'était pas disponible dans les articles de l'ETH que j'ai consultés.
3. Gestion des sous-produits. Sans voie crédible de traitement ou de récupération de l'ammonium, l'argument du bas carbone ne tient pas.
4. Échelle et coût. Les démonstrateurs imprimés dépassent désormais 20 cm. Les panneaux sur toute la hauteur, les bains de plusieurs jours et la logistique des réactifs n'ont pas été testés à l'échelle du bâtiment. Une comparaison de méthodes de stabilisation du sable cite le coût élevé parmi les inconvénients de la MICP.

Ce résultat se lit au mieux comme une voie crédible, sans chaleur, vers des pièces minérales de classe mortier à la géométrie complexe, comme des brise-soleil, des écrans et des cloisons. Ce n'est pas encore un substitut du ciment. Les résistances obtenues par d'autres laboratoires laissent penser qu'il pourrait gagner en résistance. Le bilan de l'ammonium dira s'il est aussi plus propre.