Bakterien, die Sandkörner miteinander zu einem festen Material verbinden können: Das Phänomen ist seit Langem bekannt. Karen Antorveza Paez, die soeben ihr Doktorat am Departement Architektur der ETH Zürich abgeschlossen hat, nutzt es, um frei geformte Architekturelemente herzustellen, indem sie Biomineralisierung, 3D-Druck und Robotik kombiniert, wie aus einem am 14. Oktober 2026 veröffentlichten Artikel von ETH News hervorgeht.

Ein von Bakterien erzeugter «mineralischer Leim»

Ausgangspunkt ist eine Feststellung: Die Zementherstellung gehört zu den grössten CO2-Emissionsquellen der Baubranche. Statt Gestein bei über 1000 °C zu brennen, lässt die Forscherin Bakterien arbeiten. «Wir nutzen Bakterien, um eine Art mineralischen Leim herzustellen» (aus dem Englischen übersetzt), erklärt sie.

Das Verfahren heisst mikrobiell induzierte Calcitfällung (MICP) oder einfacher Biozementierung. In Kombination mit Sand oder anderen festen Körnern bewirken bestimmte Bakterien die Bildung von Calciumcarbonat, dem Mineral, aus dem Kalkstein besteht. Zwischen den Körnern bilden sich winzige Calcitkristalle, die sich ineinander verzahnen: Es handelt sich nicht um einen Leim im klassischen Sinn, sondern um ein Kristallnetz, das die Partikel mechanisch zusammenhält.

Die Methode an sich ist nicht neu. Die verwendete Art, Sporosarcina pasteurii, wird seit vielen Jahren untersucht, etwa zur Stabilisierung lockerer Böden, und kam in der Forschung zu sogenanntem «selbstheilendem» Beton zum Einsatz, bei dem Bakteriensporen Risse wieder verschliessen. Der Beitrag der Forscherin liegt darin, wie sich der Prozess steuern lässt, um daraus ein vollwertiges Architekturmaterial zu machen. Dazu bringt sie zwei Bereiche zusammen, die bisher weitgehend getrennt waren: die Biozementierung und die digitale Fabrikation.

Erste Methode: drucken, dann in ein Bad tauchen

Für den 3D-Druck von Biozement hat das Team eine «Biotinte» entwickelt, die aus einem wasserbasierten Gel aus Alginat und Xanthan, Sand und lebenden Bakterien besteht. Das Objekt wird anschliessend in ein Bad aus Harnstoff und Calciumchlorid getaucht. Die Bakterien zersetzen den Harnstoff mithilfe eines Enzyms, der Urease, wodurch Carbonat-Ionen und als Nebenprodukt Ammonium freigesetzt werden. Das Carbonat und das Calciumchlorid der Lösung verbinden sich zu Calciumcarbonat, und zwar dort, wo sich die Bakterien im gedruckten Objekt befinden.

Der gesamte Vorgang dauert je nach angestrebter Festigkeit zwei bis fünf Tage, wobei das Mineralisierungsbad täglich erneuert wird, damit den Bakterien die nötigen Substanzen nicht ausgehen. Danach trocknet das Objekt; die Struktur ist dann mineralisiert, und die Bakterien sind nicht mehr aktiv. Es wird keine Wärmequelle eingesetzt. «Es ist ein bisschen wie Kuchenbacken» (aus dem Englischen übersetzt), fasst die Forscherin zusammen: Die Bakterien übernehmen dabei die Rolle des Ofens. Auf diese Weise wurde unter anderem ein Fassadenelement hergestellt; solche Elemente können beispielsweise als Sonnenschutz oder Trennwand dienen.

Zweite Methode: ein Roboterarm, der Schicht für Schicht baut

Der zweite Ansatz verzichtet auf das Tauchbad. Ein Roboterarm trägt wiederholt und nacheinander Bakterien, Mineralisierungssubstanzen und Sand auf eine Oberfläche auf, die er Schicht für Schicht in die Höhe wachsen lässt. Das Verfahren ist von Stromatolithen inspiriert, geschichteten Sedimentformationen, die in der Natur entstehen, wenn Mikroorganismen über lange Zeiträume Mineralien ablagern. An der Architekturbiennale Venedig 2025 lief es sechs Monate lang ohne Unterbruch. «Wir haben bewiesen, dass sich der gesamte Prozess der Biozementierung automatisieren lässt» (aus dem Englischen übersetzt), sagt Karen Antorveza Paez.

Die beiden Methoden ergänzen sich: Der Druck zielt eher auf Architekturelemente, das Aufsprühen eher auf Oberflächen. Sie befinden sich allerdings nicht im selben Stadium. Laut der Forscherin erfordert das Sprühverfahren noch deutlich mehr Forschung zu seinen mechanischen Eigenschaften, insbesondere zur Anordnung von Körnern und Bindemittel im Inneren des Objekts.

Die Grenzen: Ammonium, Festigkeit, Nachhaltigkeit

Die erste Schwachstelle betrifft die Umwelt. Das bei der Reaktion entstehende Ammonium ist sehr umweltschädlich, und die Forscherin arbeitet derzeit an einer Studie zu den Umweltauswirkungen der Biozementierung. «Wenn wir die Entsorgung dieses chemischen Nebenprodukts nicht in unsere Entwürfe einbeziehen, wird die Verwendung von Biozement im Bauwesen leider keine besonders nachhaltige Praxis sein» (aus dem Englischen übersetzt), warnt sie.

Die zweite betrifft die Leistungsfähigkeit. Derzeit, räumt sie ein, ähnelt Biozement eher einem Mörtel als Beton. Die Rezeptur von Beton, die Kombination und Anteile der Körner jeder Grösse festlegt, wird seit über einem Jahrhundert verfeinert; bei der Biozementierung beginnt diese Arbeit erst. Man weiss, dass sich die Bakterien grundsätzlich mit bestimmten Korngrössen kombinieren lassen, doch die Forschung hat noch nicht geklärt, wie sich daraus ein dauerhaftes und möglichst stabiles Material gewinnen lässt. «Die grosse Frage ist nicht mehr, ob Biozement funktioniert, sondern inwieweit man seine Eigenschaften beherrschen kann» (aus dem Englischen übersetzt), schliesst sie.

Was feststeht, was noch zu beweisen ist

Nachgewiesen: die Herstellung gedruckter Objekte aus Biozement, darunter ein Fassadenelement, und laut der Forscherin die vollständige Automatisierung des Prozesses durch robotergestütztes Aufsprühen. Noch zu bestätigen: der Nutzen der Biozementierung als weniger energieintensive Alternative zu Zement, die als vielversprechend gilt, deren Bilanz aber auch von der Behandlung des Ammoniums abhängt. Perspektive: tragende Elemente, die noch in weiter Ferne liegen.

Die Arbeiten wurden 2026 in drei Fachzeitschriften veröffentlicht: NPJ Materials Sustainability (3D-Druck von Biozement), Architectural Intelligence (robotergestütztes Aufsprühen von Biozement) und Biotechnology Design (Entwurf gedruckter poröser Geometrien). Zu den Mitautoren gehören Benjamin Dillenburger und André R. Studart.

Quellen