Ein interdisziplinäres Team von Wissenschaftlern und Designern der University of Pennsylvania (Penn) hat ein innovatives 3D-Druckverfahren für Betonmaterialien vorgestellt. Wie die PennState berichtet, kombiniert der neue Ansatz zementreduzierten Beton mit fossilen Algenstrukturen, um die CO₂-Bilanz des Baustoffs deutlich zu verbessern. Kern des Verfahrens ist die Verwendung von Kieselgur – einem porösen Pulver aus den fossilen Schalen mikroskopisch kleiner Algen, sogenannter Diatomeen.
Höherer CO₂-Speicher, geringerer Zementanteil
Konventioneller Beton gilt als einer der Hauptverursacher von CO₂-Emissionen im Bausektor. Laut den Forschern erzeugt die Zementproduktion allein bis zu 9 % der globalen Treibhausgase. Der neu entwickelte Beton weist eine deutlich bessere CO₂-Bindungskapazität auf: Bei optimierter Geometrie kann das Material bis zu 142 % mehr CO₂ aufnehmen als herkömmliche Mischungen, so die in Advanced Functional Materials veröffentlichten Studienergebnisse („3D Concrete Printing of Triply Periodic Minimum Surfaces for Enhanced Carbon Capture and Storage„). Gleichzeitig konnte der Zementanteil im Material deutlich reduziert werden.
Die Diatomeenschalen bieten durch ihre poröse Mikrostruktur ideale Voraussetzungen zur CO₂-Aufnahme und begünstigen die Bildung von Kalziumkarbonat beim Aushärten – was nicht nur die CO₂-Bindung verstärkt, sondern auch die Druckfestigkeit erhöht.
Strukturelle Effizienz durch bioinspirierte Geometrie
Ein weiterer Aspekt der Forschung lag auf der Optimierung der Materialgeometrie. Inspiriert von natürlichen Strukturen wie Korallen oder Knochen setzten die Wissenschaftler auf sogenannte triply periodic minimal surfaces (TPMS). Diese mathematisch komplexen, kontinuierlichen Flächen maximieren die Oberfläche bei minimalem Materialeinsatz.
Mit Hilfe von polyedrischer grafischer Statik entwarfen die Architekten tragfähige Strukturen, die auch mit reduziertem Materialanteil stabil bleiben – laut Team konnten dabei bis zu 68 % Material eingespart werden. In Belastungstests behielt eine TPMS-Würfelstruktur 90 % der Druckfestigkeit eines massiven Betonblocks, bei gleichzeitig 32 % höherer CO₂-Aufnahme pro Zementeinheit.
Anwendungspotenzial im Bauwesen und Meeresschutz
Neben architektonischen Anwendungen wie Fassadenelementen oder tragenden Bauteilen sehen die Forscher auch Potenzial in der marinen Infrastruktur. Aufgrund der hohen Porosität und ökologischen Verträglichkeit eigne sich das Material gut für künstliche Riffe oder Plattformen zur Meeresrestauration.
Aktuell arbeitet das Team an der Skalierung für großformatige Bauteile und testet alternative Bindemittel auf Basis von Magnesium oder Abfallstoffen. Ziel sei es langfristig, vollständig zementfreie Materialien für den 3D-Druck im Bauwesen zu entwickeln.
„Sobald wir aufhören, Beton als statisches Material zu betrachten, und beginnen, es als reaktives System zu sehen, eröffnen sich völlig neue Möglichkeiten“, fasst Shu Yang, Professorin für Materialwissenschaften, das Projekt zusammen.
