Sviluppo di materiali da costruzione biobasati e climaticamente neutri attraverso la produzione di materiali biogenici utilizzando microorganismi fototrofi

REAMODE – Impianto di prova per la modifica di materiali organici con elettroni accelerati. © Fraunhofer FEP, Finn Hoyer / REAMODE – Impianto di prova per la modifica di materiali organici con elettroni accelerati. © Fraunhofer FEP, Finn Hoyer

Photobioreattore del Fraunhofer FEP per la coltivazione di microorganismi fototrofi su scala di laboratorio sotto condizioni di luce, temperatura e gas definite. © Fraunhofer FEP, Finn Hoyer / Photobioreattore del Fraunhofer FEP per la coltivazione di microorganismi fototrofi su scala di laboratorio sotto condizioni di luce, temperatura e gas definite. © Fraunhofer FEP, Finn Hoyer

Il Fraunhofer Institute for Electron Beam and Plasma Technology FEP di Dresda offre, sulla base di un portafoglio di competenze orientato all'industria, una vasta gamma di opportunità di ricerca e sviluppo scalabili. La nostra missione è applicare il nostro potenziale di innovazione tecnologica a nuovi processi di produzione e renderli utili per le esigenze della società di risparmio delle risorse e di neutralità climatica. Di fronte alla crescente domanda di materiali da costruzione a impatto climatico zero, nel settore edilizio si cercano nuovi metodi di produzione. Presso il Fraunhofer FEP si studiano processi innovativi supportati da raggi elettronici per aumentare la sintesi di calcare biogenico mediante microrganismi phototrofi, al fine di supportare la decarbonizzazione dell'industria del cemento. In questo modo, in futuro, si potrà ulteriormente ridurre l'impronta di CO2 delle formulazioni di cemento e sostituire gradualmente il calcare fossile come risorsa primaria. Questo progetto di ricerca sarà presentato alla fiera Bau di Monaco, dal 13 al 17 gennaio 2025, allo stand collettivo della Fraunhofer-Allianz BAU nella Hall C2, Stand n. 528.

La stretta collaborazione tra il Fraunhofer FEP e l'industria ci permette di trasferire i risultati della ricerca applicata in molteplici applicazioni e prodotti, in collaborazione con i nostri partner. In particolare, sono al centro dell'attenzione i settori strategici della sostenibilità, delle scienze della vita e delle tecnologie ambientali. Tra i campi di applicazione più importanti ci sono il settore edilizio e il settore degli edifici intelligenti. In particolare, la tecnologia a raggi elettronici a bassa energia, non termica, possiede come strumento multifunzionale possibilità d'impiego onnipotenti per una vasta gamma di applicazioni ambientali e biotecnologiche e può essere integrata nelle linee di produzione esistenti. A causa delle crescenti esigenze di processi sostenibili e rispettosi delle risorse e per raggiungere gli obiettivi climatici, cresce anche la domanda di processi di sostituzione biobasati nel settore edilizio. Per questioni ecologiche rilevanti, come l'estrazione di risorse tramite biotecnologia, i ricercatori del Fraunhofer FEP possono sfruttare le proprietà chimiche e biologiche degli elettroni accelerati a bassa energia per lo sviluppo di processi specifici.

Come obiettivo ambizioso, la Germania si è impegnata con la legge sulla protezione del clima a raggiungere la neutralità climatica entro il 2045 e a ridurre le emissioni di gas serra, rappresentando al contempo una grande sfida per l'industria. Il settore edilizio è uno dei più grandi settori economici a livello mondiale, motivo per cui la costruzione a impatto climatico zero e circolare del futuro richiede molte trasformazioni. Lo sviluppo di nuovi materiali biobasati e sostenibili per la fissazione duratura di CO2 rappresenta un punto di partenza per la ricerca e lo sviluppo, con il quale la responsabile di progetto, Dott.ssa Ulla König, si occupa nel suo gruppo di materiali biocompatibili presso il Fraunhofer FEP.

Il cemento, il materiale più prodotto al mondo, è indispensabile come legante nell'industria delle costruzioni, e il consumo globale di cemento continua ad aumentare a causa dell'incremento della popolazione, dell'urbanizzazione e dell'espansione delle infrastrutture. L'industria del cemento è un importante responsabile delle emissioni di gas serra, motivo per cui la neutralità climatica in questo settore può essere raggiunta solo attraverso approcci alternativi. La decarbonizzazione rappresenta una strategia promettente, con lo sviluppo di cementi a ridotto contenuto di CO2 come compito essenziale.

Presso il Fraunhofer FEP, i ricercatori del gruppo Materiali biocompatibili, in collaborazione con il laboratorio biomedico interno, si dedicano a intensi studi sulla sviluppo di materiali biogenici di calcare secondario tramite microrganismi phototrofi, con consumo di CO2. Questi sono in grado di fissare e trasformare l'anidride carbonica dall'atmosfera attraverso la fotosintesi. Il focus della ricerca è di poter realizzare tecnicamente il processo di formazione di calcare microbiologico, esistente in natura da miliardi di anni, e migliorare la sua produttività, in modo che in fasi successive si possano produrre materiali da costruzione a basse emissioni, che catturino CO2 in modo permanente e contribuiscano così a un'economia circolare sostenibile.

La responsabile di gruppo, Dott.ssa Ulla König, spiega: «L'ottimizzazione e la scalabilità della sintesi di calcare biogenico basata sul processo di biomineralizzazione microbica rivestono un ruolo fondamentale per le future possibilità di impiego su larga scala. Per questo motivo, al Fraunhofer FEP abbiamo collegato l'ottimizzazione della biomineralizzazione dei microrganismi phototrofi con un nuovo approccio innovativo. Utilizziamo il potenziale biostimolante della tecnologia a raggi elettronici. Esploriamo l'effetto biopositivo dipendente dalla dose di processi a raggi elettronici a bassa energia e non termici sugli scambi metabolici dei microrganismi phototrofi, per aumentare l'efficacia e la convenienza della sintesi di calcare biogenico.»

Nel quadro di collaborazioni, nel prossimo passo di sviluppo, sarà possibile sviluppare materiali da costruzione sostenibili e biobasati anche attraverso processi circolari che prevedano il riciclo di rifiuti e sottoprodotti. Alla fiera BAU 2025 di Monaco, dal 13 al 17 gennaio 2025, gli scienziati presenteranno questi nuovi approcci di ricerca e altre prospettive allo stand collettivo della comunità scientifica Fraunhofer, e saranno disponibili per discussioni su idee di progetti comuni e iniziative di ricerca.