Nachhaltiger Baustoff Biobeton aus Urin

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Beton ist das Fundament unserer modernen Welt – doch sein ökologischer Fußabdruck ist massiv. Die Herstellung verlangt viel Energie und setzt große Mengen an Treibhausgas frei. Durch Biomineralisierung haben Wissenschaftler eine neue Technik entwickelt, mit der sich ein nachhaltiger und widerstandsfähiger Biobeton aus menschlichem Urin herstellen lässt.

Beton boomt. Weltweit werden jedes Jahr rund 4 Milliarden Tonnen Zement zu Beton verarbeitet und verbaut. Mit gravierenden Folgen für die Umwelt. „Herkömmlicher Zement wird bei ca.1.450 Grad Celsius gebrannt. Das verschlingt viel Energie und setzt große Mengen Treibhausgase frei“, sagt Professor Lucio Blandini, Leiter des Instituts für Leichtbau Entwerfen und Konstruieren (ILEK) der Universität Stuttgart.

Umweltschonendes mikrobielles Herstellungsverfahren

Forschende aus drei Instituten der Universität Stuttgart entwickeln einen neuen Baustoff: Biobeton. Dank seiner hohen Druckfestigkeit kann er nicht nur den traditionellen Sandstein und teilweise Zement-basierten Beton ersetzen. Er kann potenziell auch komplett aus Abfallstoffen hergestellt werden und weist somit einen deutlich geringeren ökologischen Fußabdruck auf. Zur Herstellung nutzen die Forschenden einen reichlich vorhandenen, aber bisher eher verkannten Rohstoff: menschlichen Urin.

„Biobeton wird durch Biomineralisierung hergestellt. Das ist ein biotechnologisches Verfahren, bei dem lebende Organismen mithilfe chemischer Reaktionen anorganisches Material produzieren“, erklärt Maiia Smirnova, wissenschaftliche Mitarbeiterin am ILEK. Zur Grundzutat Sand wird ein Bakterien-haltiges Pulver zugegeben, die Mischung wird in eine Schalung gefüllt und in einem automatisierten Prozess drei Tage lang mit Urin gespült, der mit Calcium angereichert wird. Der Abbau von Harnstoff durch die Bakterien unter Zugabe von Calcium zum Urin bewirkt, dass Kristalle aus Calciumcarbonat heranwachsen, erklärt Smiranov. Damit verfestigt sich das Sandgemisch zu Biobeton. Am Ende des Prozesses erhält man einen Festkörper, der chemisch Ähnlichkeiten zum natürlichen Kalksandstein aufweist. Je nach Schalung könnten so Elemente in unterschiedlichen Formen und Größen produziert werden, momentan mit einer Tiefe von bis zu 15 Zentimetern.

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Druckfestes Material durch Biomineralisierung

Die ersten hergestellten Proben weisen vielversprechende Materialeigenschaften auf. Mit technischem Harnstoff hat das Team eine Druckfestigkeit von über 50 Megapascal erreicht – deutlich mehr als bei bisher verfügbaren Baustoffen auf Basis von Biomineralisierung. Mit Harnstoff in synthetisch stabilisiertem Urin gelang die Marke von 20 Megapascal. Mit echtem, menschlichem Urin lag der Wert bei fünf Megapascal, da Bakterien nicht über die volle Biomineralisierungszeit von drei Tagen aktiv bleiben. Dies gilt es nun zu verbessern.

Eine Festigkeit des biomineralisierten Materials im Bereich von 30 bis 40 Megapascal wäre ausreichend für das Mauerwerk von zwei- bis dreigeschossigen Gebäuden, rechnen die Wissenschaftler vor. Momentan prüfen sie mittels Frost-Tau-Versuchen, ob das Material im Außenbereich eingesetzt werden kann.

Kreislaufwirtschaft als Ziel: Vom Abfallprodukt zum Baustoff

Mit dem neuen Baustoff wollen die Wissenschaftler eine nachhaltige Alternative zu Beton entwickeln. „Das Herstellungsverfahren unseres Biobetons verbraucht erheblich weniger Energie und verursacht weniger Emissionen als die herkömmliche Zementproduktion. Nachhaltig ist unser Ansatz aber auch, weil wir das Produkt in eine zirkuläre Wertschöpfungskette einbetten“, sagt Blandini.

Die Forschenden haben ein Konzept erstellt, das aufzeigt, wie man Urin aus dem Abwasserteilstrom an Orten mit hohem Menschenaufkommen, zum Beispiel einem Flughafen, separieren und aufbereiten könnte, um ihn als Rohstoff für die Produktion von Biobeton zu nutzen. Gleichzeitig könnten bei diesem Prozess sekundäre Wertstoffe aus dem Abwasser rückgewonnen werden, um Düngemittel für die Landwirtschaft zu produzieren. „Indem wir simultan zwei Produkte herstellen, erreichen wir eine noch bessere Umweltbilanz“, sagt Smirnova.

Zweite Projektphase: Optimierung des Herstellungsverfahrens und Praxistest

In einer Machbarkeitsstudie, finanziert vom baden-württembergischen Ministerium für Wissenschaft, Forschung und Kunst, haben die Wissenschaftler ihr Verfahren erfolgreich getestet. Nach erfolgreicher Evaluierung wurde das Projekt jetzt vom baden-württembergischen Ministerium für Wissenschaft, Forschung und Kunst für drei Jahre verlängert. In weiteren Laborversuchen wollen die Forschenden Störstoffe im menschlichen Urin identifizieren, die sich negativ auf die Aktivität der Bakterien und somit die Qualität des Biobetons auswirken. Basierend darauf soll der Herstellungsprozess optimiert werden. Einen weiteren Schwerpunkt legt das Team, gemeinsam mit dem Zentrum Ökologischer Landbau der Universität Hohenheim, auf die simultane Düngemittelproduktion.

Sobald die Laborversuche abgeschlossen sind, soll das Konzept unter realen Bedingungen getestet werden: Geplant ist, am Flughafen Stuttgart eine Versuchsumgebung zu schaffen, in der Urin gesammelt und zu Biobeton und Düngemittel aufbereitet wird.

Orignalpublikation: Maiia Smirnova, Christoph Nething, Andreas Stolz, Janosch A. D. Gröning, Daniele P. Funaro, Erik Eppinger, Manuela Reichert, Jürgen Frick, Lucio Blandini; High strength bio-concrete for the production of building components. npj Materials Sustainability 1, 4 (2023). DOI: 10.1038/s44296-023-00004-6

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