3D-Druck: Wenn Werkstoffe zum Leben erwachen

Das Projekt klingt wie aus einem Science-Fiction-Roman: An der ETH Zürich kooperieren Forscher unterschiedlicher Fachrichtungen, um konventionelle Stoffe mit Bakterien, Algen oder Pilzen zu kombinieren. Ihr Ziel: Sie schaffen lebende Materialien, die durch den Stoffwechsel von Mikroorganismen nützliche Eigenschaften erlangen – „etwa die Fähigkeit, mittels Photosynthese CO₂ aus der Luft zu binden“, erklärt Mark Tibbitt, Professor für Makromolekulares Engineering an der ETH Zürich.

Wie der Informationsdienst Wissenschaft (IDW) berichtet, gelang einem interdisziplinären Team unter Tibbitts Leitung nun die Verwirklichung dieser Vision: Die Forscher integrierten photosynthetische Bakterien – sogenannte Cyanobakterien oder Blaualgen – stabil in ein druckbares Gel und schufen daraus einen lebenden Werkstoff, der wächst und aktiv Kohlenstoff aus der Luft entfernt. In einer Studie im Fachmagazin Nature Communications stellten die Wissenschaftler ihr „photosynthetisches lebendes Material“ kürzlich vor.

Merkmal: Doppelte CO₂-Bindung

Forscher formen den lebenden Werkstoff mit 3D-Druck nach Belieben und versorgen ihn für sein Wachstum lediglich mit Sonnenlicht, CO₂ und künstlichem Meerwasser, das leicht verfügbare Nährstoffe enthält. „Als Baumaterial könnte er in Zukunft helfen, CO₂ direkt in Gebäuden zu speichern“, sagt Tibbitt, der die Forschung zu lebenden Materialien an der ETH Zürich mitbegründet hat. Das Material zeichnet sich dadurch aus, dass es deutlich mehr CO₂ aufnimmt, als es durch organisches Wachstum bindet. „Das liegt daran, dass das Material Kohlenstoff nicht nur in Biomasse, sondern auch in Form von Mineralien speichern kann – eine besondere Eigenschaft der Blaualgen“, erklärt Tibbitt.

Yifan Cui, einer der beiden Erstautoren der Studie, betont: „Cyanobakterien gehören zu den ältesten Lebensformen der Erde. Sie betreiben Photosynthese äußerst effizient und nutzen selbst schwaches Licht, um aus CO₂ und Wasser Biomasse zu erzeugen.“ Gleichzeitig verändern Blaualgen durch Photosynthese ihre chemische Umgebung außerhalb der Zelle, wodurch feste Karbonate wie Kalk entstehen. Diese Mineralien bilden eine zusätzliche Kohlenstoffsenke und speichern CO₂ im Gegensatz zu Biomasse dauerhaft.

Blaualgen im Habitat

„Diese Fähigkeit nutzen wir gezielt in unserem Material“, sagt Cui, der in Tibbitts Forschungsgruppe doktoriert. Die Mineralien lagern sich im Inneren des Materials ab und stärken es mechanisch. So verhärten die Cyanobakterien die zunächst weichen Strukturen allmählich. Laborversuche zeigen, dass das Material über 400 Tage hinweg kontinuierlich CO₂ bindet, den Großteil in mineralischer Form – etwa 26 Milligramm CO₂ pro Gramm Material. Das übertrifft viele biologische Ansätze und entspricht der chemischen Mineralisierung von Recyclingbeton (rund 7 mg CO₂ pro Gramm).

Das Trägermaterial, ein Hydrogel aus vernetzten Polymeren mit hohem Wassergehalt, beherbergt die Blaualgen. Tibbitts Team wählte das Polymeernetzwerk so, dass es Licht, CO₂, Wasser und Nährstoffe transportiert und den Zellen ermöglicht, sich gleichmäßig im Inneren zu verteilen, ohne das Material zu verlassen. Um die Langlebigkeit und Leistungsfähigkeit der Cyanobakterien zu maximieren, optimierte das Team die Geometrie der Strukturen per 3D-Druck, um die Oberfläche zu vergrößern, die Lichtdurchdringung zu erhöhen und den Nährstofffluss zu fördern.

Co-Erstautorin Dalia Dranseike erklärt: „So kreierten wir Strukturen, die nur mit einem kleinen Teil in der Nährflüssigkeit stehen und diese passiv durch Kapillarkräfte im ganzen Körper verteilen.“ Dank dieses Designs hätten die eingekapselten Cyanobakterien mehr als ein Jahr lang produktiv gelebt, freut sich die Materialforscherin in Tibbitts Team. Die Forscher betrachten ihr lebendes Material als energiearmen und umweltfreundlichen Ansatz, der CO₂ aus der Atmosphäre bindet und bestehende chemische Verfahren ergänzt. „In Zukunft wollen wir untersuchen, wie das Material als Beschichtung für Gebäudefassaden verwendet werden kann, um während des ganzen Lebenszyklus eines Bauwerks CO₂ zu binden“, blickt Tibbitt voraus.

Ausstellung in Venedig

Für die Ausstellung „Picoplanktonics“ im Kanada-Pavillon auf der Architekturbiennale in Venedig zeigt das Projektteam noch bis zum 25. November die gedruckten Strukturen. Wie lebende Bausteine ranken die bis drei Meter hohen Objekte, die wie aus einer anderen Welt wirken. Diese können aufgrund der Cyanobakterien je bis zu 18 kg CO₂ pro Jahr binden – etwa gleich viel wie eine 20 Jahre alte Kiefer.

Forscher entwickelten das photosynthetische lebende Material durch interdisziplinäre Zusammenarbeit im Rahmen der ALIVE-Initiative (Advanced Engineering with Living Materials). Die ETH Zürich startete ALIVE, um Wissenschaftler aus verschiedenen Disziplinen zu vereinen und neue lebende Werkstoffe für vielfältige Anwendungen zu schaffen.

(usz)