Biobeton a biogenní stavební materiály s modrozelenými řasami

Fotobioreaktor Fraunhofer FEP v laboratórním měřítku pro kultivaci sinic za definovaných světelných, teplotních a plynových podmínek. © Fraunhofer FEP / Fotobioreaktor od Fraunhofer FEP v laboratórním měřítku pro kultivaci sinic za definovaných světelných, teplotních a plynových podmínek. © Fraunhofer FEP

Živé stavební materiály. Zelená barva vzniká díky chlorofylu v živých bakteriích. © Fraunhofer IKTS / Živé stavební materiály (zelená = chlorofyl v živých bakteriích). © Fraunhofer IKTS

Mineralizovaná pevná „pórová skála“ © Fraunhofer IKTS / Mineralizovaná pevná „pórová skála“. © Fraunhofer IKTS

Výzkumníci z Fraunhoferu vyvinuli postup, při kterém vznikají biogenní stavební materiály na bázi cyanobakterií. Ty se množí v živném roztoku prostřednictvím fotosyntézy. Pokud jsou přidány příměsi a výplňové materiály, jako je písek, bazalt nebo obnovitelné zdroje, vytvářejí se pevné struktury podobné horninám. Na rozdíl od tradiční výroby betonu se při tom neuvolňuje škodlivý oxid uhličitý, ale je vázán v materiálu.

Stavební průmysl má problém. Cement, hlavní složka betonu, který je pravděpodobně nejvíce používaným stavebním materiálem naší doby, je klimaticky škodlivý. Při výrobě se uvolňuje velké množství CO2. Podle údajů Spolkového úřadu pro životní prostředí vzniklo v roce 2018 pouze v Německu asi 20 milionů tun CO2. To odpovídá přibližně deseti procentům emisí z průmyslu.

Výzkumníci z Fraunhoferova ústavu pro keramické technologie a systémy IKTS a Fraunhoferova ústavu pro elektronové paprsky a plazmatické technologie FEP představují v projektu „BioCarboBeton“ ekologicky šetrný, biologicky indukovaný postup výroby biogenních stavebních materiálů. Při tom nevzniká žádný oxid uhličitý, naopak: škodlivý plyn je využíván pro proces a je vázán v materiálu.

Základem postupu jsou cyanobakterie, také nazývané modrozelené řasy. Tyto bakterie schopné fotosyntézy vytvářejí střídavě za působení světla, vlhkosti a teploty vápenec a formují stromatolity. Tyto horninové struktury existovaly již před 3,5 miliardami let, což ukazuje na odolnost tohoto biologického procesu. Stejně jako tehdy při mineralizaci dochází k fixaci CO2 z atmosféry a jeho vázání v biogenním kameni.

Výzkumníkům z Fraunhoferu se podařilo tento přirozený proces napodobit v technickém postupu. Pod vedením iniciátora a tvůrce nápadu Dr. Matthias Ahlhelma probíhá na IKTS vývoj materiálů a procesů, výběr možných výplňových a pojivových materiálů a tvorba tvaru a struktury.

Na FEP je pod vedením Dr. Ulla König zajištěna kultivace cyanobakterií, doplňková mikrobiologická analýza a škálování výroby biomasy.

Z roztoku bakterií pevná hmota

V prvním kroku jsou za účelem výroby biomasy kultivovány fotosyntetické cyanobakterie v živném roztoku, přičemž intenzita a barva použitého světla ovlivňují jejich fotosyntézu a metabolismus. Aby v bakteriálním roztoku mohla dojít k mineralizaci podle vzoru stromatolitů, jsou přidávány vápencové dárce, například chlorid vápenatý. Poté výzkumníci připraví směs hydrogelů a různých výplňových materiálů, například různých druhů písku, jako je mořský nebo křemičitý písek. Další přívod CO2 zvyšuje obsah rozpuštěného oxidu uhličitého a podporuje celý proces.

Homogenně promíchaná směs bakterií je nyní tvarována například naplněním do forem. Ty jsou přednostně průhledné, aby mohl pokračovat metabolismus a fotosyntéza bakterií. Následná mineralizace pak vede k finálnímu zpevnění. Směs bakterií může být také tvarována pomocí stříkání, pěnění, extruze nebo aditivní výroby, přičemž se následně mineralizuje v požadovaném tvaru.

Alternativně lze vytvořit i porézní substráty, které jsou následně ošetřeny kulturou cyanobakterií: „Vzniklá pevná hmota je během procesu ještě porézní, takže světlo proniká dovnitř a podporuje fixaci CO2 prostřednictvím mineralizace vápenatým uhličitanem. Proces zastavíme odpojením světla a vlhkosti nebo změnou teploty,“ vysvětluje Matthias Ahlhelm. Všechny bakterie pak úplně uhynou. Výsledkem je pevný produkt na bázi biogenního uhličitanu vápenatého a výplňových materiálů, který lze například použít jako cihlu. Bio-stavební materiály z cyanobakterií neobsahují žádné toxické látky.

Jedním z cílů projektu „BioCarboBeton“ je určit vlastnosti materiálu a pevnosti vyráběných pevných látek a škálovat procesy. Výzkumníci již uvažují o zavedení cirkulárního procesu. Například by mohly být zdroje oxidu uhličitého získávány z průmyslových odpadních plynů. V současnosti se pracuje s bioplynem. Jako zdroje vápníku by mohly sloužit bazalty a odpadní horniny z dolů, ale také zbytky mléka z mlékáren. A jako výplňové materiály lze kromě písku použít i drcené stavební odpady nebo obnovitelné zdroje.

Od izolačního materiálu po maltu

Pomocí cíleného výběru výplňových materiálů a řízení parametrů procesu a mineralizace je možné vyrábět produkty pro různé scénáře použití. Ty sahají od izolačních materiálů přes cihly a výplně do bednění až po maltu nebo omítku, která po nanesení ztvrdne.

Poté, co výzkumný tým zavedl a otestoval proces na IKTS a FEP, pracuje nyní na škálování množství a stanovení požadovaných vlastností pevných látek. Cílem je umožnit výrobcům rychlou a ekonomickou výrobu ekologicky šetrných bio-stavebních materiálů ve velkém množství.

Matthias Ahlhelm a Ulla König jsou přesvědčeni: „Tento postup ukazuje, jak obrovský potenciál má biologizace techniky. Celkově náš projekt ‚BioCarboBeton‘ nejenže nabízí stavebnímu průmyslu šanci udělat velký krok směrem k cirkulární ekonomice.“