CO₂-Bindung durch Cyanobakterien

Im Innern des Materials wachsen Blaualgen, die mittels Photosynthese CO₂ und Wasser in Biomasse umwandeln. Gleichzeitig verändern sie dabei ihre chemische Umgebung, wodurch karbonathaltige Mineralien wie Kalk ausfallen, in denen das Treibhausgas dauerhaft gebunden wird. „Das Material nimmt viel mehr CO₂ auf, als es durch organisches Wachstum bindet“, erklärt Mark Tibbitt, Professor für Makromolekulares Engineering an der ETH Zürich. „Das liegt daran, dass das Material Kohlenstoff nicht nur in Biomasse, sondern auch in Form von Mineralien speichern kann – eine besondere Eigenschaft der Blaualgen.“

Formbar, funktional und wachsend

Der Werkstoff lässt sich per 3D-Druck in beliebige Formen bringen. Für das Wachstum benötigt er lediglich CO₂, Sonnenlicht und ein künstliches Meerwasser mit Nährstoffen. „Als Baumaterial könnte er in Zukunft helfen, CO₂ direkt in Gebäuden zu speichern“, so Tibbitt. Die eingebetteten Blaualgen härten dabei die anfangs weichen Strukturen von innen heraus, was die mechanische Stabilität verbessert.

Hydrogel als Lebensraum

Als Trägermatrix dient ein speziell abgestimmtes Hydrogel. Es ist lichtdurchlässig, lässt Gase und Flüssigkeiten durch und sorgt dafür, dass sich die Zellen gleichmäßig im Innern verteilen können. Auch die Geometrie der Strukturen wurde gezielt so entworfen, dass Lichtdurchdringung, Oberflächenvergrößerung und Nährstofffluss optimiert sind.

„So kreierten wir Strukturen, die nur mit einem kleinen Teil in der Nährflüssigkeit stehen und diese passiv durch Kapillarkräfte im ganzen Körper verteilen“, erklärt Co-Erstautorin Dalia Dranseike. So konnten die Cyanobakterien über ein Jahr hinweg produktiv bleiben.

Architektur als Kohlenstoffsenke

Langfristig könnten die lebenden Materialien helfen, die Klimabilanz von Gebäuden zu verbessern – beispielsweise als CO₂-bindende Fassadenbeschichtungen. Erste architektonische Anwendungen wurden bereits erprobt: Auf der Architekturbiennale in Venedig zeigte die Installation Picoplanktonics, wie sich gedruckte Cyanobakterien-Strukturen im großen Maßstab einsetzen lassen. Zwei baumstumpfartige Objekte binden dort jeweils bis zu 18 Kilogramm CO₂ pro Jahr – ähnlich viel wie eine 20 Jahre alte Kiefer.

Andrea Shin Ling, Architektin und Biodesignerin an der ETH, hat dazu eine skalierbare Plattform zur Biofabrikation entwickelt. „Besonders herausfordernd war dabei, den Fertigungsprozess vom Laborformat auf Raumdimensionen zu skalieren“, berichtet sie. Die Ausstellung läuft noch bis zum 23. November – täglich gepflegt und überwacht vom Projektteam.

Auch auf der Triennale in Mailand ist das lebende Material präsent. In der Installation Dafne's Skin besiedeln Mikroorganismen 3D-gedruckte Holzschindeln und erzeugen dabei eine grüne Patina. Die organische Oberfläche wird so zum aktiven Gestaltungselement, das CO₂ bindet und mikrobiellen Wandel ästhetisch sichtbar macht. Dafne's Skin entstand in Zusammenarbeit zwischen dem Studio MAEID und Dalia Dranseike und ist noch bis zum 9. November zu sehen.

Forschung im Verbund

Die Entwicklung dieses lebenden Materials ist Teil der Initiative ALIVE (Advanced Engineering with Living Materials) der ETH Zürich. Sie bringt Wissenschaftler:innen aus den Bereichen Materialwissenschaft, Biologie, Architektur und Technik zusammen. Ziel ist es, neue lebende Werkstoffe für unterschiedliche Anwendungsfelder zu schaffen – vom Umweltschutz bis zur Architektur.

Originalpublikation:
Dranseike D, Cui Y, Ling AS et al. (2025). Dual carbon sequestration with photosynthetic living materials. Nature Communications, 16, 3832. https://doi.org/10.1038/s41467-025-58761-y

Quelle: ETH Zürich