Lebendes Baumaterial betreibt Photosynthese und speichert Kohlenstoff

Fortschrittliche Materialien

Redaktion der Website für technologische Innovationen - 25.06.2025

Großformatige Objekte, die für eine Ausstellung mithilfe der vom Team entwickelten photosynthetischen Strukturen hergestellt wurden – ja, sie leben und werden stärker. [Bild: Valentina Mori/Biennale di Venezia]

Lebende Materie

Ein multidisziplinäres Team an der Eidgenössischen Technischen Hochschule (ETH) arbeitet seit Jahren daran, herkömmliche Materialien mit Bakterien, Algen und Pilzen zu kombinieren, ein Konzept, das als lebende Materie bekannt ist.

Ziel ist es, lebende Materialien zu schaffen, die dank des Stoffwechsels von Mikroorganismen nützliche Eigenschaften erlangen, von der Fähigkeit, durch Photosynthese _CO2 aus der Luft zu binden, bis hin zum Aufbau lebender Biofabriken , auch wenn dies eine erzwungene Evolution erfordert.

Die neueste Errungenschaft des Teams besteht darin, photosynthetische Bakterien, sogenannte Cyanobakterien, in ein Gel zu integrieren, das als Biotinte in einem 3D-Drucker verwendet werden kann. Das Ergebnis ist ein Material, das lebt, wächst und sogar aktiv Kohlendioxid aus der Luft entfernt – ein wirklich lebendiges photosynthetisches Material, aber künstlich.

Und es ist mehr als das: Da es zum Konzept der lebenden Materie gehört, kann das zur Photosynthese fähige künstliche Material nicht nur in jeder beliebigen Form hergestellt werden, sondern auch wachsen und benötigt dafür lediglich Sonnenlicht, nährstoffreiches Wasser und _CO2 .

„Als Baumaterial könnte es künftig dazu beitragen, _CO2 direkt in Gebäuden zu speichern“, sagt Forscher Mark Tibbitt und ergänzt, dass das lebende Material deutlich mehr _CO2 aufnimmt, als durch organisches Wachstum gebunden wird: „Das liegt daran, dass das Material Kohlenstoff nicht nur in Biomasse, sondern auch in Form von Mineralien speichern kann – eine besondere Eigenschaft dieser Cyanobakterien.“

Herstellung photosynthetischer lebender Materialien für die duale Kohlenstoffbindung. [Bild: Dalia Dranseike et al. - 10.1038/s41467-025-58761-y]

Lebende Gebäude

Das derzeitige Hauptziel des Teams besteht darin, Strukturen zu bauen, die im Hoch- und Tiefbau verwendet werden können.

Möglich wird dies durch einen weiteren Vorteil lebender Materie: Bakterien verändern durch Photosynthese ihre chemische Umgebung außerhalb der Zelle, wodurch feste Karbonate wie Kalk ausfallen. Diese Minerale stellen eine zusätzliche Kohlenstoffsenke dar und speichern CO ₂ im Gegensatz zu Biomasse in stabilerer Form.

Und das ist eine sehr interessante Eigenschaft, denn die Mineralien lagern sich im Inneren des Materials ab und verstärken es mechanisch. Auf diese Weise härten die Cyanobakterien die zunächst weichen Strukturen, die durch den 3D-Druck entstehen, langsam aus.

Labortests haben gezeigt, dass das Material über einen Zeitraum von 400 Tagen kontinuierlich _CO2 speichert, den größten Teil davon in mineralischer Form – etwa 26 Milligramm _CO2 pro Gramm Material. Das ist deutlich mehr als bei vielen biologischen Verfahren und vergleichbar mit der chemischen Mineralisierung von Recyclingbeton (etwa 7 Milligramm _CO2 pro Gramm).

Digitale Herstellung photosynthetischer lebender Strukturen. [Bild: Dalia Dranseike et al. - 10.1038/s41467-025-58761-y]

Hydrogel

Das Trägermaterial der lebenden Zellen ist ein Hydrogel, ein Gel aus vernetzten Polymeren mit hohem Wassergehalt. Das Team wählte ein Polymernetzwerk, das Licht, _CO2 , Wasser und Nährstoffe transportieren kann. Dadurch können sich die Zellen gleichmäßig im Material verteilen, ohne auszulaufen.

Um ein möglichst langes und effizientes Leben der Cyanobakterien zu gewährleisten, optimierten die Forscher die Geometrie der Strukturen mithilfe von 3D-Druckverfahren, um die Oberfläche zu vergrößern, die Lichtdurchdringung zu verbessern und den Nährstofffluss zu fördern.

„Auf diese Weise haben wir Strukturen geschaffen, die das Eindringen von Licht ermöglichen und die Nährflüssigkeit durch Kapillarkräfte passiv im Körper verteilen. Dank dieses Designs lebten die eingekapselten Cyanobakterien mehr als ein Jahr lang produktiv“, sagte Forscherin Dalia Dranseike.

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