Bauwesen & Klima: Chinesen entwickeln alternatives Baumaterial zu Beton

Ein chinesisches Forschungsteam war auf der Suche nach einem natürlichen, kohlenstoffarmen Baumaterial, da Materialien wie Beton, Glas, Stahl, Ziegel und Aluminium alleine im Jahr 2021 schätzungsweise neun Prozent der weltweiten energiebedingten Kohlendioxidemissionen ausmachten. Diese Emissionen entstehen bei der Verarbeitung der Materialien – zum Beispiel durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe bei der Herstellung von Zement bei hohen Temperaturen.

Auf ihrer Suche haben sie sich von den Unterwasserstrukturen der Sandburgenwürmer (Phragmatopoma californica) inspirieren lassen. Die etwa fünf Zentimeter langen Meerestiere, die an der kalifornischen Küste vorkommen, bauen ihre bienenwabenartigen Kolonien, indem sie Sandkörner zusammenkitten. Dafür scheiden die Würmer einen Klebstoff aus, der Sand und Muschelstücke miteinander verbindet.

Der Klebstoff der Sandwürmer

Der spezifische Bindungsmechanismus für diesen Prozess ist unklar. Dennoch fand das Forschungsteam heraus, dass der von den Würmern abgesonderte Klebstoff sowohl positiv als auch negativ geladene Proteine enthält. Diese erzeugen eine starke Ladungsanziehung.

Das Team verwendete für seine Forschung entgegengesetzt geladene Biopolymere (Grundbausteine lebender Organismen), um verschiedene Körner zu binden und die Baumaterialien zu schaffen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Herstellungsprozessen für Baumaterialien benötigt dieser Prozess weder hohe Temperaturen noch Druck.

Die Vorteile gegenüber herkömmlichen Fertigungsprozessen

Das Material kann aus Sandkörnern und Ziegelschutt hergestellt werden und weist eine hohe Bruchfestigkeit bei einer Druckfestigkeit auf, die über der Konstruktionsgrenze liegt. Das Material behält seine mechanische Leistung auch bei Sonneneinstrahlung bei und kann beispielsweise mit Farbe abgedichtet werden. Zudem lässt es sich in großem Maßstab herstellen und benötigt zur vollständigen Härtung nur zwei Tage – herkömmlicher Beton muss 28 Tage aushärten, um seine Normalfestigkeit zu erhalten.

Für die Herstellung von Beton kann außerdem nicht jeder Sand verwendet werden. Das Material des chinesischen Forschungsteams sei vielseitiger, heißt es in der Studie. Es könne aus negativ geladenen Körnern wie Wüsten- und Meersand, Kohlenschlacke, Ziegelschutt, mineralischen Rückständen und Betonschlacke hergestellt werden. Darüber hinaus ist das Material wiederverwertbar, indem die Blöcke zerkleinert und hydratisiert werden. Anschließend können sie neu geformt werden.

Aufgrund der hohen Nachfrage nach den für die Herstellung von Baumaterialien erforderlichen speziellen Sanden könnte der Entwicklungsprozess des chinesischen Forschungsteams zukünftig eine Alternative darstellen.

Zur Studie

Die Studie wurde am 20. September 2023 im Fachmagazin Matter veröffentlicht: Colonial sandcastle-inspired low-carbon building materials (Koloniale Sandburgen als Inspiration für kohlenstoffarme Baumaterialien).