Bakterien statt Zement: Forschung im Bereich Bio-Beton

Beton ist der wichtigste Baustoff und kommt vielseitig im Gebäudebau und bei der Errichtung von Infrastruktur zum Einsatz. Gleichzeitig besitzt Beton eine schlechte Klimabilanz, denn die Fertigung sorgt für hohe CO2-Emissionen. Eine neue Form von Bio-Beton, die auf Bakterien und Harnstoff basiert, soll zukünftig das Image und die Klimabilanz des Baustoffs verbessern.

Welche Rolle spielt Urin beim neuen Bio-Beton?

Ein Forschungsprojekt an der Universität Stuttgart hat sich der Entwicklung eines biologischen Betons gewidmet. Das Ziel ist es, einen umweltfreundlichen Baustoff zu schaffen, der zudem Abwasser als Teil der Wertschöpfung nutzt. Die Forschung begann bereits im Jahr 2023.

Der Bio-Beton nutzt mikrobielle Prozesse, um die chemische Bindung herzustellen. Die Biomineralisierung ersetzt die Bindung in klassischem Beton, die auf einer Kristallisation im Zement basiert. Die Forschenden der Universität Stuttgart verzichten daher vollständig auf Zement. Stattdessen besteht der Bio-Beton aus Sand und einem Pulver mit speziellen Bakterien. Dieses Gemisch wird in einer Schalung für drei Tage mit menschlichem Urin gespült, der zusätzlich mit Calcium angereichert ist.

Durch diesen Prozess wandelt sich der Harnstoff in Calciumcarbonat um. Dies sorgt für die Bindung, die ansonsten in einem chemischen Prozess stattfindet. Die Idee hinter dem Bio-Beton ist, dass normaler Urin Verwendung findet, der gesammelt wird. Dadurch ließe sich eine sinnvolle Wertschöpfungskette aufbauen, die ein bisher nicht genutztes Abfallprodukt verwendet. Für die Fertigung von einem Kubikmeter Bio-Beton sind etwa 26.000 Liter Urin erforderlich.

Forschung in kleinem Umfang: So kompliziert ist die Produktion noch

Bisher wurde der Bio-Beton in kleineren Mengen für verschiedene Projekte hergestellt. Dabei gehörte es zu den Herausforderungen, Urin für die Produktion von ausreichenden Mengen an Bio-Beton zu sammeln. Die Forschenden der Uni Stuttgart sammelten unter anderem Urin auf der Reisemesse CMT. Dafür gab es spezielle Sammelcontainer mit einer Informationstafel, die über das Projekt Auskunft gab. Damit kamen etwa 100 Liter Urin zusammen.

In der ersten Phase setzten die Forschenden ausschließlich auf Urin von Männern. Der Grund liegt in den Hormonen, die vor allem im Urin von Frauen vorhanden sind und einen negativen Einfluss auf die Bakterien und die Biomineralisierung haben. In kommenden Stufen wollen die Forschenden genauer herausfinden, wie sich Hormone auf die mikrobiellen Prozesse auswirken. Gleiches gilt für Stoffe in Urin, der sich im Abwasser befindet.

Rückstände von Medikamenten oder Drogen gehören zu den Stoffen, die eventuell Auswirkungen auf die Biomineralisierung haben. Es ist also noch Forschung notwendig, um eine gleichbleibende Qualität der Ergebnisse zu gewährleisten. Die Universität sucht deshalb nach weiteren Partnern für Kooperationen. Geplant ist eine Versuchsumgebung am Stuttgarter Flughafen, zu den weiteren Ideen gehören Sammelstellen auf Festivals im Sommer und eine Zusammenarbeit mit Unternehmen, die nachhaltige Toilettensysteme entwickeln und bereitstellen. So sollen größere Mengen Urin zusammenkommen.

CO2-Fußabdruck: Aus diesem Grund muss Beton umweltfreundlicher werden

Eines der zentralen Ziele der Forschenden der Universität Stuttgart ist die Nachhaltigkeit. Dabei spielt der Bio-Beton seine Stärken auf verschiedenen Ebenen wie folgt aus:

• Urin wird als Abfallprodukt genutzt und sinnvoll weiterverwendet
• Stärkung der Kreislaufwirtschaft
• Durch Biomineralisierung senkt Bio-Beton den Energieverbrauch
• Bei herkömmlichem Beton muss Zement bei ca. 1.450 °C gebrannt werden
• Einsparung von viel Primärenergie

Nicht zu unterschätzen ist zudem der Einfluss auf den CO2-Fußabdruck der Branche. Bei der Bindung setzt klassischer Beton große Mengen an CO2 frei. Jährlich verwendet die Bauindustrie weltweit rund vier Milliarden Tonnen Beton. Bei der Bindung gibt Beton etwa 60 Prozent Kohlendioxid ab, der im Kalk gebunden ist. Damit entfallen mehr als zwei Milliarden Tonnen CO2-Emissionen jährlich auf die Bauindustrie. Nach Schätzungen sind dies rund sechs Prozent des gesamten menschengemachten CO2-Ausstoßes weltweit. Dies sorgt für die schlechte Klimabilanz, und Beton hat keinen guten Ruf, wenn es um umweltfreundliche Baumaterialien geht.

Bio-Beton hat das Potenzial, den klimatischen Fußabdruck des Baustoffs und der gesamten Branche deutlich zu reduzieren. Außerdem lässt sich auch der Energieverbrauch in der Produktion senken, was einen weiteren positiven Aspekt mit sich bringt. Gleichzeitig prüfen die Forschenden, ob sich als Nebenprodukt Düngemittel für die Landwirtschaft gewinnen lässt. In Urin sind eine Menge Stickstoff sowie Kalium, Kalzium und Phosphor vorhanden.

Dies sind Stoffe, die als Pflanzendünger gefragt und vor allem in Europa rar sind. Für die Produktion des Bio-Betons wird nur ein Teil der Inhaltsstoffe des Urins benötigt: der stickstoffhaltige Harnstoff. Es besteht also die Möglichkeit, aus dem gewonnenen Urin noch mehr wertvolle Rohstoffe für eine weitere Verwendung zu gewinnen.

Pflastersteine, Betonträger oder Mauerwerk: So vielseitig soll der neue Bio-Beton sein

Die interessanteste Frage für die Baubranche ist nun, wie sich Bio-Beton in der Praxis verwenden lässt. Dafür sind vor allem die Materialeigenschaften ausschlaggebend. In ersten Tests erreichte der Bio-Beton eine Druckfestigkeit von mehr als 50 Megapascal. Das wäre ausreichend, um Mauern, Stützen oder Pflastersteine aus dem Bio-Beton zu fertigen.

Aktuell schwankt die Druckfestigkeit jedoch noch mit dem verwendeten Harnstoff sowie den Bakterien. Nur technischer Harnstoff, der sehr rein ist, erzielt die 50 Megapascal Druckfestigkeit. Mit synthetischem Harnstoff konnten die Forschenden etwa 20 Megapascal erreichen, menschlicher Urin reichte bisher nur für etwa 5 Megapascal Druckfestigkeit aus. Der Grund liegt in den Prozessen der Biomineralisierung, die nur mit technischem Harnstoff über die ganzen drei Tage aktiv bleiben.

Für den Bau von zwei- oder dreigeschossigen Gebäuden ist eine Druckfestigkeit von etwa 30 bis 40 Megapascal erforderlich. Sofern es den Forschenden der Universität Stuttgart gelingt, den Prozess zu stabilisieren, kann der Bio-Beton Eigenschaften erreichen, die mit denen von Kalksandstein vergleichbar sind. Dann kann der Bio-Beton aus Harnstoff traditionellen Sandstein und in bestimmten Szenarien auch klassischen Beton auf Basis von Zement ersetzen. Aktuell ist die Fertigung von unterschiedlichen Formen und Größen bis zu einer Tiefe von 15 Zentimetern möglich. Entscheidend ist die Schalung, die zum Einsatz kommt.

In der zweiten Forschungsphase, die auf drei Jahre angesetzt ist, sollen auch Praxistests folgen. Dann zeigt sich, ob der Bio-Beton eine Chance auf den Durchbruch als klima- und umweltfreundliche Alternative zum Beton auf Zementbasis hat.