Ein Baumaterial, das CO2 aus der Luft bindet

In einem Labor des Worcester Polytechnic Institute demonstrierten Forscher diese Woche eine Paste, die etwas kann, was gewöhnlicher Beton nicht vermag: Sie entzieht der Luft Kohlendioxid und schließt es beim Erhärten in gesteinsähnlichen Partikeln ein. Das Team um den Bauingenieur Nima Rahbar veröffentlichte die Ergebnisse in der Fachzeitschrift Matter und nennt das Produkt ein „enzymatisches Strukturmaterial“ (ESM). Die Behauptung ist bemerkenswert: Nach den berichteten Methoden kann ein Kubikmeter ESM während der Herstellung mehr als 6 Kilogramm CO2 binden, während herkömmlicher Beton bei gleichem Volumen typischerweise etwa 330 Kilogramm emittiert.

Enzymgesteuerte Mineralisierung

ESM basiert auf einer biologischen Abkürzung. Anstatt Rohstoffe bei hohen Temperaturen zu brennen – wie es in der Zementindustrie üblich ist – oder abgeschiedenes CO2 in unterirdische Lagerstätten zu transportieren, nutzt das WPI-Team ein Enzym, um die chemischen Reaktionen zu beschleunigen, die gelöstes Kohlendioxid in feste Mineralpartikel umwandeln. Diese Partikel fungieren als lasttragende Phase innerhalb einer Kapillarsuspensionsmischung, einem materialtechnischen Ansatz, der eine feste, schnell aushärtende Matrix ergibt. Den Autoren der Studie zufolge senkt der enzymatische Schritt die für die Herstellung eines strukturellen Bindemittels erforderliche Energie und verschiebt die Kohlenstoffbilanz von netto-positiv zu netto-negativ.

Leistung und Kohlenstoffbilanz

Wissenschaftliche und technische Behauptungen über neue Baumaterialien hängen von zwei Messgrößen ab: der mechanischen Leistungsfähigkeit und dem Lebenszyklus-Kohlenstoff. In beiden Bereichen ist das Material laut dem WPI-Team wettbewerbsfähig. Die Kapillarsuspensionstechnik erzeugt eine dichte Mikrostruktur mit hoher Festigkeit und Zähigkeit, während die enzymatische Mineralisierung einen Weg zu stabilem, unlöslichem mineralischem Kohlenstoff bietet, der wahrscheinlich nicht über relevante Zeiträume hinweg erneut in die Atmosphäre gelangt.

Entscheidend ist, dass die Forscher einen direkten Vergleich mit gewöhnlichem Beton ziehen: Während bei der Herstellung eines Kubikmeters Beton auf Portlandzementbasis typischerweise etwa 300–400 kg CO2 freigesetzt werden, führt die Produktion des gleichen Volumens ESM nach ihrem Laborprotokoll zu einer Netto-Sequestrierung von mehreren Kilogramm CO2. Dieser Unterschied ergibt sich aus der Vermeidung der Hochtemperatur-Kalzinierung und der chemischen Bindung von Kohlenstoff in fester Form während der Herstellung.

Über die globalen Kohlenstoffzahlen hinaus bietet das Material betriebliche Vorteile, die das Team hervorhebt: Reparierbarkeit, Recyclingfähigkeit und eine geringere Graue Energie. Da ESM unter milden Bedingungen aushärtet und auf einer in situ gebildeten Mineralphase basiert, argumentieren die Forscher, dass es am Ende seiner Lebensdauer demontiert und wiederaufbereitet werden kann, was die Bau- und Abbruchabfälle im Vergleich zu vielen modernen Betonsorten und Verbundstoffen reduziert.

Praktische Hürden und Skalierung

Versprechen aus dem Labor sind nicht dasselbe wie die industrielle Realität. Das WPI-Paper und die Pressemitteilungen äußern sich offen über die nächsten Schritte: die Skalierung der Produktion, die Sicherung einer stabilen Enzymversorgung und die Anpassung der Fertigungskette, um konsistente Rohstoffe und Qualitätskontrollen zu gewährleisten. Enzyme können empfindlich auf Temperatur, pH-Wert und Verunreinigungen reagieren, und industrielle Prozesse müssen die katalytische Aktivität schützen und gleichzeitig kosteneffizient bleiben.

Auch regulatorische Fragen zeichnen sich ab. Strukturmaterialien müssen Bauvorschriften, Wind- und Erdbebenstandards, Brandschutzbestimmungen und langfristigen Haltbarkeitstests entsprechen. Das Team berichtet von ermutigenden Festigkeits- und Haltbarkeitswerten in Labortests, aber Feldversuche, Verwitterungsstudien und Zertifizierungskampagnen werden notwendig sein, bevor ESM von Architekten spezifiziert oder im Beschaffungswesen vorgeschrieben werden kann. Zudem stellt sich die Frage der Rohstoffe: Die Chemie der Kapillarsuspension ist auf bestimmte Partikel- und Bindemittelverteilungen angewiesen, die zuverlässig bezogen oder aus lokalen industriellen Nebenprodukten gewonnen werden müssen, um in großem Maßstab erschwinglich zu sein.

Schließlich wird die Kohlenstoffbilanz bei jeder praktischen Einführung von der gesamten Lieferkette abhängen. Wenn Enzyme oder Vorläuferstoffe über weite Strecken transportiert werden oder wenn die nachgelagerte Verarbeitung Energie aus fossilen Brennstoffen benötigt, könnte der Netto-Klimavorteil schwinden. Die Forscher betonen, dass eine energiearme Fertigung und erneuerbare biologische Inputs Teil ihrer Designphilosophie sind, aber unabhängige Lebenszyklusanalysen – sowie Pilotprojekte in verschiedenen Klimazonen und mit unterschiedlichen Lieferketten – werden erforderlich sein, um den Anspruch der CO2-Negativität außerhalb des Labors zu validieren.

Wie ESM die Materialwahl im Bauwesen verändern könnte

Sollten sich die Vorteile des Materials in Pilotprojekten bestätigen, könnte ESM neben einer wachsenden Zahl kohlenstoffarmer oder kohlenstoffspeichernder Bauoptionen stehen: Betone mit Recycling-Zuschlagstoffen, Mineralkarbonatisierungssteine, Geopolymer-Bindemittel und sogar upgecycelte Kunststoffe, die in industriellen Umgebungen als Sorbentien fungieren. Das WPI-Team verweist auf kurzfristige Anwendungen, bei denen eine schnelle Produktion und ein geringes Gewicht wertvoll sind – Dachterrassen, Wandpaneele und Moduleinheiten für bezahlbaren Wohnraum oder Infrastruktur für Schnellreparaturen nach Stürmen und Erdbeben.

Die potenzielle systemische Wirkung ist hervorzuheben. Beton ist allgegenwärtig: Allein die weltweite Produktion von Portlandzement macht einen erheblichen Anteil der Industrieemissionen aus. Selbst ein teilweiser Ersatz durch kohlenstoffnegative Strukturelemente in nicht tragenden und semistrukturellen Anwendungen würde Emissionen senken und eine Nachfrage nach neuen Herstellungswegen schaffen. Die Forscher schätzen, dass bereits eine bescheidene Akzeptanz die Emissionen des Bausektors erheblich reduzieren könnte, da das Material die Hochtemperatur-Schritte vermeidet, die den CO2-Fußabdruck von Zement dominieren.

Einordnung in die Innovationen zur CO2-Abscheidung

Diese Integration wirft interessante Fragen für Politik und Markt auf. Gebäude überdauern Jahrzehnte; die Einbettung von gebundenem Kohlenstoff in langlebige Komponenten schafft – sofern validiert – einen Weg zur langfristigen Speicherung, der nicht auf geologische Lagerstätten angewiesen ist. Gleichzeitig verschiebt dies den Schwerpunkt der Kohlenstoffpolitik hin zu Baustandards, Beschaffungsregeln und Rahmenbedingungen der Kreislaufwirtschaft. Regierungen, Versicherer und Normungsgremien müssen Materiallebensdauer, Reparierbarkeit und Recyclingfähigkeit abwägen, wenn sie Anreize oder Vorschriften in Betracht ziehen.

Nächste Schritte und vorsichtiger Optimismus

Das Team des WPI und seine Partner haben den entscheidenden Schritt der Peer-Review und Veröffentlichung vollzogen; die nächsten Schritte werden partnerschaftlich erfolgen. Industrielle Pilotprojekte zum Testen der Fertigungsmaßstäbe, standortspezifische Haltbarkeitsversuche und unabhängige Lebenszyklusbewertungen sind die logischen Folgeschritte. Wenn die Enzymproduktion kostengünstig industrialisiert und die Fertigungskette lokalisiert werden kann, könnte ESM innerhalb weniger Jahre von der akademischen Demonstration zum kommerziellen Produkt werden.

Die allgemeine Lehre ist pragmatisch: Die Dekarbonisierung wird nicht durch eine einzige Wundermittel-Technologie erfolgen, sondern durch die Summe vieler Materialien, Prozesse und politischer Maßnahmen. ESM bietet einen vielversprechenden Teil dieses Puzzles – einen technischen Weg, um CO2 direkt in die Struktur von Gebäuden einzuschließen. Das Versprechen ist real; der Weg zur breiten Anwendung wird sich in technischer Arbeit, Logistik und der geduldigen Abstimmung von Normen und Märkten mit neuartiger Chemie messen lassen.