Et byggemateriale der er mere end bare beton
Dette handler ikke om endnu et lag grøn maling på en facade eller en dekorativ lodret have. Der er tale om et materiale, der opfører sig som noget midt imellem puds og en levende organisme: det ånder, vokser, mineraliserer og er i stand til varigt at "låse" CO₂ inde i sig selv. Hvis teknologien finder vej til masseproduktion, kunne facader på boligblokke og kontorbygninger fungere lidt som en kunstig skov.
Alger der fungerer som små betonbetonfabrikker
Kernen i projektet er såkaldte cyanobakterier, der i daglig tale ofte omtales som blågrønalger. De er blandt Jordens ældste livsformer og har eksisteret i over 3 milliarder år. Helt fra begyndelsen har de mestret fotosyntese – altså omdannelsen af sollys, vand og CO₂ til ilt og organiske forbindelser.
Forskerholdet fra ETH Zürich (Den Føderale Tekniske Højskole i Zürich) tog tingene et skridt videre og brugte disse mikroorganismer ikke blot som et "støvsugersystem" til kuldioxid. Det afgørende er, at visse arter af cyanobakterier kan omdanne det optagne kulstof til mineraler, der ligner calciumcarbonat – det samme stof der kendes fra kalksten og muslinger.
Den samme proces, der i millioner af år har bygget koralrev og kalkstensformationer, har forskerne nu presset ned i et tyndt lag fremtidig puds.
Organismen vokser først i en fugtig gel, hvor den opsamler CO₂ og producerer biomasse. Når væksten når sin grænse, starter anden fase – mineralisering. En slags indre "stenet" stillads bygges op inde i materialet. Derved fanges kulstoffet i lang tid, og selve kompositmaterialet bliver gradvist hårdere.
Hydrogel som et akvarieparadis – men printet i 3D
For at give algerne et sted at leve, udviklede forskerne en specialdesignet hydrogel. Det er et blødt, vandmættet materiale med en meget porøs struktur. Det fungerer lidt som en svamp: det lader vand, gas og lys passere igennem og opretholder samtidig stabile forhold for mikroorganismerne.
Det mest fascinerende er, at denne hydrogel kan udskrives med 3D-printteknologi. Det gør det muligt at forme komplekse strukturer og samtidig styre tykkelse, gennemtrængelighed og den måde, lyset rammer algecellerne på. I praksis kan man altså designe en facade, der maksimerer CO₂-optagelsen under de givne lysforhold.
- Hydrogelen fungerer som "hjem" for cyanobakterierne.
- 3D-strukturen fremmer tilførslen af lys, vand og kuldioxid.
- Det høje vandindhold beskytter cellerne mod udtørring.
- Materialets porøsitet påvirker hastigheden af mineraliseringen.
Under laboratorietests fungerede materialet uafbrudt i cirka 400 dage. I løbet af den periode bandt det i gennemsnit 26 mg CO₂ pr. gram masse – og det i form af varige mineralaflejringer. Sammenlignet med andre biologiske metoder til CO₂-opsamling er det en bemærkelsesværdig høj effektivitet.
Vægge der virkelig "ånder" kuldioxid ind
Holdet fra ETH har ingen planer om at stoppe ved laboratorieprøver. Målet er, at materialet skal bruges på bygningsfacader som en slags aktiv belægning. En ydervæg beklædt med dette komposit ville blive langt mere end blot en beskyttelse mod regn – det ville aktivt bidrage til byens kulstofregnskab.
På en arkitekturudstilling i Venedig præsenterede forskerne prototyper i form af "stammer" med organiske former. Ifølge deres beregninger er hvert sådant element i stand til at absorbere op til 18 kg CO₂ om året. Det svarer nogenlunde til, hvad et gennemsnitligt 20-årigt nåletræ optager.
| Objekt | Anslået CO₂-optagelse pr. år |
|---|---|
| Prototypemodul af hydrogel | op til 18 kg |
| Gennemsnitligt 20-årigt nåletræ | sammenlignelig mængde |
I løbet af det 400 dage lange eksperiment blev prøverne gradvist mørkere og grønnere, efterhånden som algerne udførte intensiv fotosyntese. Samtidig stivnede materialet, fordi carbonatmineraler ophobes indvendigt. Noget der i starten lignede en blød gel begyndte at opføre sig som et holdbart, halvstenet kompositmateriale.
Materialet mister ikke sine mekaniske egenskaber over tid – tværtimod "modnes" det og bliver stadig stivere og mere modstandsdygtigt.
Bioteknologi sætter fart på det grønne byggeri
Forskerne ved ETH ser dette som blot det første trin. De planlægger at genetisk modificere de anvendte cyanobakterier for yderligere at øge deres fotosyntesehastighed og mineraliseringstempo. Teoretisk set kan én enkelt ændring i den metaboliske vej betyde, at den samme kvadratmeter facade binder langt mere CO₂ på kortere tid.
Forskerholdet overvejer også det optimale system til at levere næringsstoffer til algerne. I eksperimenterne anvendte man kunstigt havvand rigt på mineralsalte. Under reelle bymæssige forhold er materialet naturligvis ikke konstant nedsænket i en sådan opløsning. Derfor skal man finde en måde at "indlejre" de nødvendige grundstoffer direkte i komposittets struktur eller kombinere det med et diskret vandingssystem.
Et energibesparende alternativ til industrielle anlæg
En stor fordel ved det levende materiale er dets lave energiforbrug. Traditionelle CO₂-opsamlingsanlæg kræver ofte høje temperaturer, kraftige ventilatorer og kompleks kemi. Her er solen drivkraften, og al den kemiske behandling sker inde i algecellerne.
Cyanobakterierne klarer selv den sværeste del af arbejdet: de optager gassen fra omgivelserne, omdanner den og lukker den inde i form af et mineralsk skelet. For ingeniører betyder det en teknologi, der nemt lader sig integrere med eksisterende infrastruktur – for eksempel som et ekstra lag på præfabrikerede facadepaneler.
Dette er ikke en konkurrent til industrielle CO₂-fjernelsesanlæg, men et ekstra redskab, som arkitekturen kan få med i pakken ved valg af nyt byggemateriale.
Hvad kan dette forandre i byer og byggeri
Hvis lignende løsninger finder vej til markedet, vil begrebet "bæredygtig bygning" få en helt ny betydning. I dag fokuserer grønt byggeri primært på at reducere energiforbrug, forbedre varmeisolering og genanvende materialer. Her handler det om aktivt at fjerne drivhusgasser fra atmosfæren.
Forestil dig en boligblok beklædt med et lag af dette materiale. Hvert etageplan fungerer som et tyndt "bælte" af skov. Et dusin eller et par hundrede sådanne bygninger i et boligkvarter ville potentielt kunne neutralisere den årlige udledning fra et lokalt varmeanlæg eller en del af kvarterets biler. Det er naturligvis en vision for de kommende årtier – men tallene fra eksperimenterne viser, at det ikke er ren fantasi.
Muligheder, risici og praktiske spørgsmål
Inden storskalaimplementering melder der sig en række tekniske spørgsmål. Cyanobakterierne skal overleve frost, langvarig tørke og kontakt med støv og forurening fra travle veje. Det skal også afklares, hvor hyppigt materialet kræver "vedligeholdelse", og om det begynder at skalle af eller miste sine egenskaber efter nogle år.
Sundhedsmæssige hensyn er også vigtige – visse blågrønalgearter producerer toksiner i naturlige vandmiljøer. Forskerne udvælger derfor kun sikre stammer og indkapsler dem desuden i gelstrukturen, så de ikke spredes til omgivelserne. Alligevel vil bygge- og sundhedsnormer med stor sandsynlighed kræve omfattende test.
Lykkes det at overkomme disse barrierer, kan materialer med levende mikroorganismer blive et fast element i designeres værktøjskasse. Allerede i dag eksperimenteres der med mycelium som erstatning for styropor og mursten "dyrket" ved hjælp af bakterier. Algerne tilføjer til dette repertoire funktionen som aktiv CO₂-fjerner og konstruktionsforstærker via mineralisering.
For den gennemsnitlige bygningsbruger er det mest spændende, at sådanne løsninger ikke behøver at ligne et laboratorium. Hydrogelen er usynlig bag det ydre finishlag, eller den antager former, der minder om skulpturelle paneler, der giver facaden karakter. Og alligevel arbejder der i det stille en enorm, mikroskopisk "by" af organismer, der dag for dag omdanner kuldioxid til noget hårdt som sten.
