Mit Mikroorganismen versetzter Zement

Mit Mikroorganismen versetzter Zement kann Strom speichern – auch wenn er anschließend verbaut wird, das zeigen Experimente. Diese Fähigkeit hält langfristig an, wenn die Speichermikroben gefüttert werden – ohne an Tragfähigkeit zu verlieren. Für die Praxisanwendung sind noch viele Frage offen.
 

Das Konzept, eine Bauwerkshülle zusätzlich zu ihrer tragenden Funktion als Energiespeicher zu nutzen, ist nicht ganz neu. Dagegen mutet die Idee einer Forschungsgruppe der Universität Aarhus in Dänemark auf den ersten Blick abenteuerlich an: Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler haben elektrisch aktive Mikroorganismen in Beton gegeben, um damit Strom in Bauteilen zu speichern. Mit Erfolg, sie schufen damit experimentell mikrobielle Zementsuperkondensatoren (MCS) als biohybride Lösung, die Zement von einem Baustoff in ein „lebendes“ Energiespeichersystem transformiert, und gingen damit auf eine zentrale Frage der Energiewende ein: Wie lassen sich große Speicherkapazitäten ohne knappe Rohstoffe wie Lithium oder Kobalt bereitstellen? Ihre Antwort: durch die Integration elektroaktiver Mikroorganismen (EAM), die eine bislang ungenutzte Speicherfunktionalität in das weltweit am meisten verbreitete Baumaterial einbettet. Als Labor‑Proof‑of‑Concept funktioniert das laut den im Fachjournal Science¹ veröffentlichten Forschungsergebnissen erstaunlich gut.
 

Aufbau und Mikrostruktur des mikrobiellen Zements

Die Forscherinnen und Forscher brachten die bekanntermaßen elektroaktiven Mikroorganismen (Shewanella oneidensis MR 1) in eine zementgebundene Matrix ein, die über extrazellulären Elektronentransfer (EET) Ladung aufnehmen und wieder abgeben können. Dazu bilden die Mikroorganismen leitfähige Biofilme und Nanodrähte, die ein dynamisches Speichernetzwerk bereitstellen. Untersucht wurden Zementmischungen mit unterschiedlichem Mikrobenanteil (0–3 % bezogen auf die Zementmasse). Bauchemische Analysen zeigen, dass die üblichen Hydratphasen weitgehend erhalten bleiben. Auffällig ist jedoch eine erhöhte Bildung von Calciumcarbonat CaCO₃, die nicht auf normale Carbonatisierung, sondern auf mikrobiell induzierte Calcit-Ausfällung zurückgeführt wird. Dies ergibt eine veränderte Porenstruktur, die sich anfangs als höhere Gesamtporosität zeigt und sich späterhin zu feineren Kapillarporen wandelt. Das hat Einfluss auf die Materialeigenschaften.
 

Mikrostruktur ohne Verlust der Tragfähigkeit

Die frühe Druckfestigkeit (72 Stunden nach dem Betonieren) sinkt bei höherem EAM-Gehalt. Nach 28 Tagen gleichen sich die Unterschiede aus; Proben mit Mikroorganismen zeigen sogar leicht erhöhte Festigkeiten. Die Mikroben sind in den Hydratphasen eingekapselt und bilden zusammen mit Calciumsilicathydraten (CSH) ein fein vernetztes, mikrobielles Netzwerk, das gleichzeitig Lasten trägt und elektrische Leitpfade bereitstellt. Zumindest auf Laborniveau ist damit bewiesen, dass tragfähige Materialien mit integrierter Bio-Elektronik möglich sind.
 

Leistungsfähigkeit und Speicherkapazität

Elektrochemische Untersuchungen belegen eine deutliche Steigerung der Speichereigenschaften durch die Mikroorganismen. Reiner Zement zeigt nur eine geringe Doppelschichtkapazität. Bereits 0,3 % EAM vergrößern die sogenannte CV-Fläche als Maßzahl der elektrochemischen Aktivität deutlich. Bei optimaler Konzentration von 1,2 % erreicht der MCS eine Energiedichte von 178,7 Wh/kg und eine Leistungsdichte von 8,3 kW/kg – ein Wert, der konventionelle Zementsuperkondensatoren² deutlich übertrifft und Lithium-Ionen-Kondensatoren nahekommt. Nach 10.000 Lade-Entlade-Zyklen verbleiben noch 85 % der Anfangskapazität. Allerdings erwies sich die Dosierung als kritisch: Zu niedrige Konzentrationen (0,3 %) erzeugen unzureichende Leitnetzwerke, während überhöhte Gehalte (3 %) zu mikrobieller Aggregation und Leistungsverlust führen. Temperaturuntersuchungen (−15 °C bis 80 °C) zeigen erwartungsgemäß höchste mikrobielle Aktivität bei ca. 33 °C, aber auch unter Frost- und hohen Temperaturbedingungen bleibt ein relevanter Anteil an Speicherkapazität erhalten. Dafür sorgen die verbleibenden leitfähigen Biofilme und sogenannte Cytochrome, zum Elektronentransport fähige Proteine, auch wenn die Zellen selbst teilweise inaktiv sind.
 

Dauerhafte Speicherfähigkeit und Reaktivierungsvermögen 

Das Wasser-Zement-Verhältnis und die Nachbehandlung der Mikroben fördern ionischen Transport sowie die mikrobielle Aktivität und beeinflussen die Performance erheblich. Ein zentrales Element des Konzepts ist die Reaktivierbarkeit. In den Zementkörper wird ein Mikrofluidik-Netz eingebettet, über das bei Bedarf Nährlösungen oder auch neue Mikroorganismen eingebracht werden können. In Langzeitversuchen zeigten Proben nach 56 Tagen zunächst ein Absinken der Stromdichte. Durch einmalige Nährstoffzufuhr ließ sich die Kapazität teilweise wiederherstellen.
In einem zweiten Schritt wurden deutlich gealterte Proben (150 Tage) behandelt: Die Kombination aus Nährlösung und erneutes Einbringen von S. oneidensis führte zu einer Erholung der Kapazität um rund 80 % gegenüber dem gealterten Zustand. Damit wird prinzipiell ein selbstregenerierbarer Speicher im Baustoff erreicht, der sich von herkömmlichen Superkondensatoren und Batterien unterscheidet, die irreversible Kapazitätsverluste erleiden.
 

Breite Anwendung denkbar

Diese Eigenschaften eröffnen für die Baupraxis Perspektiven für Bauteile, die über die gesamte Nutzungsdauer energetisch "gewartet"  werden können, etwa durch periodische Nährstoffgabe. Weitere mögliche Anwendungsfelder liegen in energieautarken oder energieunterstützten Infrastrukturelementen, etwa multifunktionale Betone, die Tragwerk und Energiespeicherung kombinieren. Denkbar sind Bauteile mit integrierter Sensorik (Strukturzustand, Feuchte, Korrosion), die ihren Strombedarf aus dem eigenen „mikrobiellen Beton“ decken, oder Pufferspeicher für PV-aktive Fassaden und Verkehrswege bilden. Der praktischen Verwendung wird aber parallel eine systematische Bewertung von Arbeitsschutz sowie Normung und Qualitätssicherung vorausgehen müssen.