Bakterien verleihen Beton Selbstheilungskräfte

Der biologische Beton der Zukunft wird in der Lage sein, die abnutzungsbedingten Rissen im Material selbst zu reparieren. Er enthält Bakterien, die bis zu 200 Jahre in einer Betonstruktur überleben können. Im Falle der Beschädigung, wachen sie auf und produzieren Kalkstein mit „heilenden“ Eigenschaften. Dieser selbstheilende Biobeton soll eine günstige und nachhaltige Lösung zur Erhöhung der Lebensdauer von Gebäuden, Brücken und Straßen bieten. So reduziert der selbstheilende Beton die Kosten für die Herstellung und Instandhaltung von Beton sowie die daraus resultierenden Emissionen von Kohlendioxid.

Denn so solide und beständig Betonkonstruktionen auch scheinen mögen – mit der Zeit wird Beton brüchig. Der Mikrobiologen Hendrik Jonkers von der TU Delft hatte die Idee, durch die Zugabe der kalkproduzierender Bakterien eine stabilere Betonmischung zu entwickeln.

Auf der Suche nach einem festeren und langlebigeren Beton wandte sich Hendrik Jonkers nicht etwa den Stahl- und Steintechniken zu, die bereits von zahlreichen Ingenieuren weiterentwickelt wurden, sondern einer eher ungewöhnlichen Inspirationsquelle: dem menschlichen Körper.

Jonkers betrachtete dabei insbesondere die Art und Weise, wie Knochenbrüche mithilfe von Osteoblasten durch Mineralisierung selbst wieder heilen, und machte sich daran, für das am häufigsten verwendete Baumaterial eine ähnliche „Selbstheilungstechnik“ zu entwickeln.

Dabei stieß er auf ein kalkproduzierendes Bakterium, das Risse in Beton kitten kann. Diese widerstandsfähige, natürlich vorkommende Bakterienspezies – entwederBacillus pseudofirmus oder Sporosarcina pasteurii – ist in stark alkalischen Seen in der Nähe von Vulkanen zu finden und schien optimal geeignet zu sein. Die Bakterien können bis zu 200 Jahre lang in einer Art Dämmerzustand im Beton überleben und werden erst aktiv, wenn Wasser durch Risse im Beton eindringt. Dadurch werden sie zur Kalkproduktion angeregt und beginnen damit, die entstandenen Risse aufzufüllen. Tritt in der Betonkonstruktion also ein Riss auf, durch den Wasser und Luft in das Material eindringen, erwachen diese Bakterien und fressen das dem Beton beigemischte Kalziumlaktat. Dabei verbrauchen sie den vorhandenen Sauerstoff und wandeln das lösliche Kalziumlaktat in festen Kalk um. Dieser Kalk lagert sich in den Rissen ein und repariert die entstandenen Schäden. Mittels dieser Technologie können Risse von beliebiger Länge gekittet werden, solange sie nicht breiter als 0,8 Millimeter sind.

Diese patentierte Technologie bietet eine Fülle von Möglichkeiten. 70 Prozent der Infrastruktur in Europa ist aus Beton gebaut, die Instandhaltung ist dementsprechend kostspielig. HealCON, ein EU-gefördertes Projekt, schätzt die jährlichen Instandhaltungskosten für Brücken, Tunnel und Stützmauern in den EU-Mitgliedstaaten auf bis zu 6 Milliarden Euro.

Die hohe Beanspruchung bei Belastung und die hohen Kosten sind jedoch nicht die einzigen Probleme mit Beton. Zwischen 7 und 12 Prozent der weltweiten jährlichen CO2-Emissionen entstehen bei der Produktion dieses Baumaterials.

Der von Jonkers entwickelte selbstheilende Biobeton soll 2015 auf den Markt kommen. Das größte Hindernis ist der Materialpreis, der von der Herstellungsmethode abhängt. Bei der gegenwärtig verwendeten Methode sind die Produktionskosten noch immer doppelt so hoch wie die Kosten für die Herstellung von herkömmlichem Beton: 80 Euro pro Kubikmeter.

Ein Großteil der Kosten entfällt auf das teure Kalziumlaktat, das dem Beton als Nährstoff für die Bakterien beigesetzt wird. Jonkers und sein Team sind jedoch auf dem besten Wege, einen neuen Nährstoff auf Zuckerbasis zu entwickeln, mit dem sich die Kosten an die Produktionskosten für herkömmlichen Beton annähern lassen (zwischen 85 und 100 Euro pro Kubikmeter).