Développement de matériaux de construction biobasés neutres en carbone par extraction de matériaux biogènes utilisant des micro-organismes phototrophes

REAMODE – Installation d'essai pour la modification de matériaux organiques par des électrons accélérés. © Fraunhofer FEP, Finn Hoyer / REAMODE – Installation d'essai pour la modification de matériaux organiques par des électrons accélérés. © Fraunhofer FEP, Finn Hoyer

Photobioréacteur du Fraunhofer FEP pour la culture de micro-organismes phototrophes à l’échelle du laboratoire dans des conditions lumineuses, de température et de gaz définies. © Fraunhofer FEP, Finn Hoyer / Photobioréacteur du Fraunhofer FEP pour la culture de micro-organismes phototrophes à l’échelle du laboratoire dans des conditions lumineuses, de température et de gaz définies. © Fraunhofer FEP, Finn Hoyer

L'institut Fraunhofer pour la technique des faisceaux d'électrons et des plasmas FEP à Dresde propose, sur la base d’un portefeuille de compétences orienté industrie, une large gamme de possibilités de recherche et développement évolutives. Notre mission est d’appliquer notre potentiel d’innovation technologique à de nouveaux processus de production et de les rendre utilisables pour répondre aux besoins sociétaux en matière de préservation des ressources et de neutralité climatique. Face à la demande croissante de matériaux de construction climatiquement neutres, le secteur du bâtiment recherche également de nouvelles méthodes de fabrication. Au Fraunhofer FEP, des recherches sont menées sur des processus innovants assistés par faisceau d’électrons pour augmenter la synthèse de calcaire biogène à l’aide de micro-organismes phototrophes, afin de soutenir la décarbonisation de l’industrie du ciment. Cela permettra à l’avenir de réduire davantage l’empreinte carbone des formulations de ciment et de remplacer progressivement le calcaire fossile en tant que ressource principale. Ce projet de recherche sera présenté lors du salon Bau à Munich, du 13 au 17 janvier 2025, au stand commun de l’alliance Fraunhofer BAU, dans le hall C2, stand n° 528.

La collaboration étroite du Fraunhofer FEP avec l’industrie nous permet, en partenariat avec nos partenaires, de transformer les résultats de la recherche appliquée en diverses applications et produits. Les domaines de recherche stratégiques prioritaires sont notamment la durabilité, les sciences de la vie et les technologies environnementales. Parmi les applications importantes figurent, par exemple, le secteur du bâtiment ainsi que le domaine des bâtiments intelligents. En particulier, la technologie à faible consommation d’énergie et non thermique du faisceau d’électrons possède des possibilités d’utilisation omnipotentes en tant qu’outil multifonctionnel pour une multitude d’applications environnementales et biotechnologiques, et peut être intégrée dans des lignes de production existantes. En raison de la demande croissante pour des processus durables et économes en ressources, ainsi que pour atteindre les objectifs climatiques, le besoin de processus de substitution biosourcés dans le secteur du bâtiment augmente également. Pour les questions écologiques importantes, telles que l’exploitation biotechnologique des ressources, les chercheurs du Fraunhofer FEP peuvent utiliser les effets chimiques et biologiques des électrons à faible énergie accélérés pour le développement de processus spécifiques à l’application.

Comme objectif ambitieux, l’Allemagne s’est engagée, avec la loi sur la protection du climat, à atteindre la neutralité carbone d’ici 2045 et à réduire les émissions de gaz à effet de serre, ce qui représente également un défi énorme pour l’industrie. Le secteur du bâtiment est l’un des plus grands secteurs économiques mondiaux, c’est pourquoi la construction climatiquement neutre et circulaire de l’avenir nécessite de nombreuses transformations. Le développement de nouveaux matériaux biosourcés et durables pour la fixation durable du CO2 constitue une approche pour la recherche et le développement, à laquelle la cheffe de projet, Dr Ulla König, travaille dans son groupe sur les matériaux biocompatibles au Fraunhofer FEP.

Le ciment, matériau le plus produit au monde, est indispensable comme liant dans l’industrie de la construction, et la consommation mondiale de ciment continue d’augmenter en raison de la croissance démographique, de l’urbanisation et de l’expansion des infrastructures. L’industrie du ciment est un important émetteur de gaz à effet de serre, c’est pourquoi la neutralité carbone dans ce domaine ne peut être atteinte que par des approches alternatives. La décarbonisation constitue une stratégie prometteuse, dans laquelle le développement de ciments à faible émission de CO2 sera une tâche essentielle.

Au Fraunhofer FEP, les chercheurs du groupe Matériaux biocompatibles, en collaboration avec le laboratoire de services biomédicaux interne à l’institut, mènent des travaux de recherche intensifs sur le développement de matériaux secondaires à partir de calcaire biogène à l’aide de micro-organismes phototrophes consommant du CO2. Ces micro-organismes sont capables de fixer et de transformer le dioxyde de carbone de l’atmosphère par photosynthèse. L’objectif principal est de mettre en œuvre à grande échelle le processus naturel de formation de calcaire microbiologique, existant depuis des milliards d’années, et d’en améliorer la productivité, afin de pouvoir produire ultérieurement des matériaux de construction à faibles émissions, qui fixent durablement le CO2 et contribuent ainsi de manière durable à l’économie circulaire.

La cheffe de groupe, Dr Ulla König, explique : « L’optimisation et la mise à l’échelle de la synthèse de calcaire biogène basée sur le processus de biomineralisation microbienne jouent un rôle essentiel pour de futures applications à grande échelle. Au Fraunhofer FEP, nous avons donc associé l’optimisation de la biomineralisation des micro-organismes phototrophes à une nouvelle approche de solution. Pour cela, nous exploitons le potentiel de stimulation biologique de la technologie des faisceaux d’électrons. Nous étudions l’effet biopositif dépendant de la dose des processus à faible énergie et non thermique des faisceaux d’électrons sur le métabolisme des micro-organismes phototrophes, afin d’accroître l’efficacité et la rentabilité de la synthèse de calcaire biogène. »

Dans le cadre de collaborations, il sera alors possible lors de la prochaine étape de développement de concevoir des procédés de fabrication circulaires, même avec le recyclage de déchets et de résidus, pour développer des matériaux de construction et de construction durables et biosourcés. Lors du salon BAU 2025 à Munich, du 13 au 17 janvier 2025, les chercheurs présenteront ces nouvelles approches de recherche et d’autres perspectives au stand commun de la communauté Fraunhofer, et seront disponibles pour discuter d’idées de projets communs et de recherches futures.