Schweizisk ‘levende’ byggemateriale renser luft og reparerer sig selv

Et nyt byggemateriale vokser frem i et schweizisk laboratorium

I et schweizisk laboratorium udvikles en helt ny type byggemateriale, der befinder sig et sted mellem beton og en stueplante. Det lyder som science fiction, men forskningen er både konkret og lovende.

Forskere har skabt et konstruktionsmateriale baseret på alger, der trækker CO₂ ud af luften, bliver stærkere med tiden og kan hele sine egne små skader. Hvis teknologien skaleres op, kan bygninger fremover aktivt bidrage til at bremse den globale opvarmning.

Levende materiale fra et laboratorium i Zürich

Forskere ved ETH Zürich har udviklet et såkaldt levende materiale, hvor mikroskopiske organismer udfører selve arbejdet — cyanobakterier, der ofte omtales som alger. Disse ældgamle mikroorganismer bruger sollys til at omdanne CO₂ til ilt og organiske forbindelser.

Det schweiziske forskerhold indlejrede bakterierne i en specialudviklet hydrogel: et vandigt, porøst materiale, der minder om en blød, gennemsigtig gelé. Denne gel danner grundlaget for en byggesten, der ånder, vokser og forstener sig.

Materialet trækker CO₂ ud af luften, omdanner det til faste mineraler og bliver derved stærkere frem for svagere over tid.

Ifølge forskerne kan denne nye type byggemateriale på sigt fungere som facadebeklædning, paneler eller dekorative elementer på bygninger, der år efter år aktivt opsluger CO₂ fra atmosfæren.

Derfor er cyanobakterier så interessante

Ældgamle mini-fabrikker

Cyanobakterier har eksisteret i over 3 milliarder år og spiller en central rolle i naturens kulstofkredsløb. De udfører fotosyntese: ved hjælp af sollys, vand og CO₂ producerer de ilt og sukkerarter.

I den schweiziske forskning tilføjes endnu et lag. En del af den optagne CO₂ forsvinder ikke blot ind i bakteriernes biomasse, men omdannes til faste mineraler, der ligner kalksten. Det skaber et slags indre skelet af kalkaflejringer i materialet.

• CO₂ bindes i bakteriernes biomasse
• En del af denne CO₂ omdannes til faste mineraler
• Mineralerne danner et stift, bærende netværk inde i materialet

Normalt stopper væksten hos disse organismer efter cirka tredive dage — og dermed også den midlertidige CO₂-lagring. Takket være mineraliseringstrinnet bliver en del af drivhusgassen derimod lagret langt mere varigt i stenagtige strukturer.

Fra blød gel til hård, grøn 'sten'

Forskerne fulgte materialet over 400 dage. I den periode blev den oprindeligt bløde, gennemsigtige gel gradvist grønnere og hårdere. Bakterierne forblev aktive, udførte fotosyntese og opbyggede løbende flere mineraler.

Materialet formåede i gennemsnit at binde 26 milligram CO₂ pr. gram gel i form af faste mineraler. For et biologisk system er det relativt meget, og det giver samtidig en klar fordel for de mekaniske egenskaber: gelen bliver stadig stærkere, jo flere mineraler der dannes.

3D-printet gel som hjemsted for alger

Hydrogel særligt designet til lys og luft

Kernen i innovationen er en 3D-printbar hydrogelformel. Materialets sammensætning og struktur er tilrettelagt, så lys, vand og CO₂ kan trænge dybt ind. Disse tre faktorer bestemmer, hvor meget fotosyntese bakterierne kan udføre.

Gelen indeholder meget vand og har et porøst netværk af kanaler, som gør det nemt for næringsstoffer og gasser at cirkulere. Strukturen er samtidig robust nok til at blive anvendt som plade, flise eller panel.

Fordi gelen kan printes, opstår der stor designfrihed. Arkitekter kan for eksempel lave bølgende facader, perforerede paneler eller trælignende søjler, der alle aktivt optager CO₂ fra omgivelserne.

Bygninger der ånder som træer

Facader der fanger CO₂

Forskerne tænker primært på anvendelse i bygningers ydre skal. Forestil dig paneler på facaden, der opfanger sollys og samtidig lader luft strømme langs det levende lag.

På en arkitekturudstilling i Venedig præsenterede skaberne allerede prototyper i form af kunstige træstammer. Ifølge beregningerne kan hver stamme optage op til 18 kilo CO₂ om året — sammenlignelig med, hvad et tyveårigt fyrretræ absorberer.

Ved at kombinere flere af den slags elementer kan en hel bygning trække en mærkbar mængde CO₂ ud af luften. Det er ikke nok til at kompensere for en hel bys udledning på én gang, men tilstrækkeligt til at reducere byggesektorens egen klimapåvirkning.

Selvhelende egenskaber via fortsat vækst

Et interessant sideeffekt er, at materialet delvist kan hele små revner eller skader på egen hånd. Så længe bakterierne får tilstrækkeligt lys, vand og CO₂, fortsætter de med at afsætte nyt mineral. Det mineral kan fylde revner ud og genoprette overfladen.

I praksis vil et sådant levende element stadig kræve vedligeholdelse, men langt mindre end et fuldstændig inaktivt materiale, der kun slides ned. Til gengæld skal man holde øje med, at organismerne ikke dør af udtørring, forurening eller ekstrem varme.

Bioteknologi som turbo på CO₂-optagelsen

Forskerne ser allerede på måder at gøre algerne endnu mere effektive. Med genetiske teknikker ønsker de at forbedre fotosyntesen, så hver kvadratmeter facade trækker ekstra CO₂ ud af luften.

Det rejser dog nye spørgsmål. Hvordan sikrer man, at sådanne modificerede bakterier ikke slipper ud af materialet? Og hvordan garanterer man sikkerheden, hvis paneler beskadiges eller rives ned? Disse problemstillinger kendes allerede fra andre anvendelser af genetisk modificerede mikroorganismer i landbruget og industrien.

En anden praktisk udfordring handler om ernæring. I eksperimentet brugte forskerne kunstige havvandsopløsninger til at tilføre mineraler og næringsstoffer. Til brug på rigtige bygninger skal dette enten bygges direkte ind i materialet eller tilføres via regnvand og omgivende støv.

Lavt energiforbrug som stor fordel

Mange eksisterende teknologier til CO₂-opfangning bruger store anlæg, der konstant blæser luft gennem filtre eller kemiske opløsninger. Det kræver meget energi, hvorved en del af gevinsten går tabt igen.

Det levende byggemateriale fungerer anderledes. Energikilden er simpelthen sollys. Der er ingen pumpe, ventilator eller varmekedel nødvendig for at holde processen i gang. Så længe facaden modtager tilstrækkeligt dagslys og ikke tørrer fuldstændigt ud, forbliver bakterierne aktive.

Teknologien kører på gratis solenergi og forvandler facader til langsomme, men konstante CO₂-filtre.

Ifølge medforfatter Mark Tibbitt kan materialet netop derfor fungere godt side om side med andre klimatiltag: traditionel CO₂-lagring i tomme gasfelter, grønnere byer og lavere udledninger fra industrien.

Hvad dette kan betyde for byggesektoren

Byggesektoren er under pres for at sænke både udledningerne fra materialeproduktion og bygningers klimaaftryk i brugsfasen. Materialer, der optager CO₂ frem for at udlede det, giver designere ekstra råderum.

I teorien kan man gøre en bygning mere klimavenlig på flere niveauer:

• Brug af materialer med et lavt CO₂-aftryk, såsom træ og biobaseret isolering
• Facader og tage der binder CO₂ via levende materialer
• Solceller og energibesparende installationer til lavere energibehov

Et kontorbyggeri kunne dermed på én gang være energieffektivt, delvist energiproducerende og CO₂-absorberende. Særligt i tæt bebyggede byer, hvor der er lidt plads til træer og parker, åbner det for nye muligheder.

Spørgsmål der skal besvares de kommende år

Inden denne teknologi dukker op i stor skala i boligområder, skal en lang række skridt gennemføres. Det drejer sig om certificering, brandsikkerhed, holdbarhedstests ved frost, hagl og hedebølger samt spørgsmålet om, hvordan materialet sikkert genanvendes, når det er udtjent.

Også æstetik spiller en rolle. En facade, der synligt bliver grønnere og måske viser farveforskelle på grund af det levende lag, vil for nogen være attraktiv og for andre problematisk. Arkitekter og byplanlæggere vil skulle tænke aktivt i former, farver og mønstre, der passer ind i gadebilledet.

Alligevel viser denne schweiziske forskning tydeligt, hvordan biologi og byggeteknik nærmer sig hinanden. Hvor vi tidligere primært stablede beton og stål, bevæger sektoren sig støt mod materialer, der reagerer på deres omgivelser — paneler der producerer energi, vinduer der automatisk bliver mørkere, og nu facader der renser luften og gradvist forstærker sig selv.