Heilende Wände

Wenn Dr. Anke Reinschmidt den Clou von WallCraft erklärt, bittet sie Besucher, ganz nah an den Betonklotz heranzutreten, der im hinters ten Winkel ihres Essener Labors an einem Faden baumelt. Erst dann ist die dünne weiße Linie zu erkennen, die das Objekt durchzieht.

„Hier sieht man, wo der Prüfkörper zerbrochen war und jetzt wieder zusammengefügt ist“, erklärt die Chemikerin. Um zu beweisen, wie fest der Riss gekittet ist, hat ihr Team einen Eimer Sand an den Klotz gehängt. Wobei der Begriff „kitten“ in die Irre führt. Spezielle Bakterien, die dem Rohbeton zugefügt wurden, haben den Riss durch ihre Stoffwechselreaktion selbstständig verfüllt – ganz ohne menschliches Zutun.

Der größte Makel des Betons liegt in erster Linie im Zement. Bei der Produktion des Bindemittels, das vermischt mit Wasser und Zuschlagstoffen wie Sand oder Kies erst Beton entstehen lässt, werden große Mengen Kohlendioxid freigesetzt. Die Zementindustrie allein ist weltweit verantwortlich für acht Prozent der menschengemachten CO2-Emissionen. Der Klimaeffekt variiert stark, je nach Art der Produktion. In Deutschland liegt er im Schnitt bei 590 Kilogramm CO2  pro Tonne Zement, in anderen Ländern noch deutlich höher.

Schuld daran ist vor allem Klinker – Hauptbestandteil jedes Zements. Dabei handelt es sich im Wesentlichen um gebranntes Kalkgestein. Das gemahlene Gestein wird dafür auf 1.450 Grad Celsius erhitzt. Neben der enormen Energiemenge, die hierfür erforderlich ist, trägt auch die chemische Reaktion, die sich beim Brennen vollzieht, zu den gewaltigen TreibhausgasEmissionen bei: Beim Umwandeln von Calciumcarbonat (CaCO₃) in Calciumoxid (CaO) bleibt CO₂ übrig. Das ist ein nicht zu änderndes Naturgesetz.

Um den Kohlendioxidausstoß zu verringern, setzen einige Forscher darauf, Klinker durch andere Stoffe zu ersetzen, zum Beispiel gemahlene Schlacke aus Hochöfen der Roheisenproduktion, Flugasche aus Abgasfiltern von Kohlekraftwerken oder natürliche Gesteinsarten.

Während herkömmlicher Portlandzement 95 Prozent Klinker enthält, liegt der Durchschnitt aller Zementarten in der EU bei knapp 74 Prozent. Die Internationale Energieagentur (IEA) prognostiziert, dass der Klinkeranteil in den kommenden Jahren weiter Richtung 60 Prozent sinken wird. Neu entwickelte Rezepturen drücken ihn mithilfe klimafreundlicher Substitute heute schon unter 50 Prozent.

Der immer weiter wachsende Betonhunger der Welt bringt aber nicht nur den Ausstoß von Klimagasen mit sich. Er verschlingt auch große Mengen an Ressourcen – allen voran Sand, Wasser, Stahl und Energie.

Weil glatt geschliffener Wüstensand nicht zum Betonieren taugt, wächst der illegale Raubbau an Flussbetten und Stränden. „Die verwendeten Sande werden immer schlechter“, sagt Reinschmidt. Um Beton trotzdem in hoher Qualität mischen zu können, braucht es passen de Zusatzstoffe. Das Recycling von Beton kann dazu beitragen, Zement und Klimagase einzusparen. Auch hier helfen dann Additive, die gewohnte Performance im Bau zu gewährleisten.

„Wir lösen Probleme, das haben wir schon immer getan“, sagt Reinschmidt. Die Forscherin hat den Betonadditiven ihre Karriere gewidmet. Vor 20 Jahren befasste sie sich in ihrer Doktorarbeit damit, nach Stationen in den USA und Südamerika verschlug es sie schließlich ins Labor nach Essen. Dort testet Evonik eine Vielzahl von Additiven, die Beton besser machen. In Kombination mit Entschäumern von Evonik sorgen zum Beispiel Fließmittel dafür, dass er mit weniger Wasser angemischt werden kann, dadurch härter wird und sich dennoch bis ins oberste Stockwerk der höchsten Wolkenkratzer pumpen lässt. Schwindreduzierer mindern die Neigung von Betonteilen, sich beim Aushärten zu verformen oder zu reißen. Luftporenbildner stellen sicher, dass  sich Luftblasen in exakt der richtigen Menge und Größe im Beton verteilen. „Zu viel oder zu wenig Luft im Beton oder eine ungleichmäßige Verteilung schaden dem Bauteil“, so Reinschmidt. Und Hydrophobierungsmittel verhindern, dass Wasser in das ausgehärtete Material eindringt. Sie helfen damit, Gebäude vor Witterungseinflüssen zu schützen, und machen sie haltbarer. Das sollen künftig auch die Bakterien von WallCraft – nur eben aktiv und noch länger.

„Gerade wo neu gebaut wird, haben wir die Chance, über die Zeit mit langlebigerem Beton Emissionen zu reduzieren“, erklärt Magnus Kloster. Er leitet bei Evonik Interface & Performance das Marktsegment für die Bauindustrie. Zuvor war er lange bei einem führenden Zulieferer für den Betonbau beschäftigt. „Wenn zum Beispiel Autobahnbrücken 60 statt 50 Jahre durchhalten, spart das langfristig immense Mengen an Material und CO2Ausstoß.“ Selbstheilender Beton hätte das Zeug dazu, den Verbrauch des Baumaterials stark zu reduzieren. „Vor allem in Schwellen und Entwicklungsländern, wo Betonrecycling zum Teil gar nicht  wirtschaftlich möglich ist, auch weil vieles dort zum ersten Mal gebaut wird“, so Kloster.

WallCraft zeigt, wie es geht. Reinschmidt und ihr Team haben das Phänomen unzählige Mal erprobt.Kisten voller kleiner Prüfkörper, die hier „Prismen“ heißen, stapeln sich in jedem freien Winkel des Labors. Gerade werden wieder neue hergestellt – mit genormtem Sand, in genormten Metallformen, 4 Zentimeter mal 4 Zentimeter auf 16 Zentimeter. Die Raumtemperatur hat genormte 23 Grad und konstante 50 Prozent Luftfeuchtigkeit. „In der Baubranche bleibt nichts ungenormt“, sagt Reinschmidt. Verlässlichkeit geht über alles. Geprüft wird nicht nur, wie schnell, wie fest und wie oft das Material zum Beispiel je nach Feuchtegehalt wieder zusammenwächst. „Wir untersuchen auch, wie gut sich das Produkt mit anderen Additiven und jeder Art von Rezeptur verträgt“, erklärt Reinschmidt. Jeder neue Werkstoff muss verlässlich funktionieren. Die Baubranche scheut Experimente, denn wenn Betonkonstruktionen bröckeln, drohen Produzenten und Verarbeitern Regressansprüche.

Am anderen Ende der Stadt finden größere und noch eindrücklichere Versuche statt. Hier untersucht Wissbau, eine Ausgründung der Uni Essen, als unabhängiger Gutachter Baumaterialien. Das Prüflabor liegt in einem aufwendig umgebauten Bauernhof aus dem 18. Jahrhundert.

Im vergangenen Jahr hat Wissbau im Auftrag von Evonik große Betonwannen gegossen und bringt sie seither regelmäßig mit brachialen Kräften kontrolliert zum Reißen. Die durch feine Risse beschädigten Wannen werden mit Wasser gefüllt, das ganz allmählich durch die Risse sickert. Binnen einem Monat verschließen die Bakterien die Risse wieder, es tritt kein weiteres Wasser aus, die äußere Betonwand trocknet ab.

"Solche Risse entstehen im Beton immer wieder, sei es beim Aushärten oder später durch die Belastung“, erklärt Reinschmidt. An sich sei das nicht schlimm. Erst wenn Wasser permanent eindringt, den Bewehrungsstahl zum Rosten bringt oder sich bei Frost ausdehnt, wird das Bauteil dauerhaft geschwächt und  irgendwann zerstört. „Ein Beton, der Risse von selbst kittet, schützt sich also vor schweren Schäden.“

Die Idee eines selbstheilenden Betons geistert schon länger durch die Branche. Tatsächlich besitzt auch herkömmlicher Beton die Fähigkeit, kleine Risse selbst zu verschließen. Das dauert jedoch meist deutlich zu lange. Forscher an der Technischen Universität München experimentieren seit einiger Zeit mit feinen Glas kapillaren im Beton, die flüssigen Kunststoff enthalten. Brechen die Kapillaren durch Bewegungen im Beton, läuft der Kunststoff aus und verklebt etwaige Risse. Auch an Bakterien arbeiten mehrere Forscher, so etwa Teams der Uni Delft in den Niederlanden und der Uni Gent in Belgien, die hierfür Startups ausgegründet haben. Bei Evonik kam die Idee 2016 im Rahmen eines konzerninternen Ideenwettbewerbs auf. Den Durchbruch brachte die Vernetzung der Bauchemiker aus Essen mit den Biotechnologen in Halle-Künsebeck bei Bielefeld.

Dort betreibt die Evonik Industries AG ihr größtes Biotech-Labor. Drei weitere befinden sich in Marl, Hanau und Schanghai. Vor Kurzem erst hat der Konzern seine gesamte Biotechnologiekompetenz organisatorisch gebündelt. Die Forscher beschäftigen sich hier mit ganz unterschiedlichen Themen – von Fermentationsverfahren für Kosmetikrohstoffe bis hin zu Synbiotika für die Darmgesundheit.

Für WallCraft durchsuchten die Biotechnologen zunächst ihre MikrobenBibliothek nach einem betontauglichen Organismus. Sie wurden fündig bei einem Stamm, den sie zuvor selbst in einer  Umweltprobe isoliert hatten: „Die DNA und die Eigenschaften kannten wir sehr gut“, sagt Lukas Falke, der das Projekt in Halle Künsebeck betreut.

Der ausgewählte Bacillus-subtilisStamm ist ein besonders zäher Vertreter aus der Gruppe der Heubakterien. Die sind praktisch allgegenwärtig, fühlen sich im Boden ebenso wohl wie im menschlichen Darm. Im Beton trifft der Mikroorganismus dagegen auf unwirtliche Bedingungen. Zement ist alkalisch und entwickelt beim Aushärten Temperaturen von über 60 Grad Celsius. Doch weder die Hitze noch der lebensfeindliche pH-Wert noch die spitzen Kristalle im ausgehärteten Beton können dem Wall-Craft-Bakterium viel anhaben

Zudem macht es sich bei Kontakt mit Wasser eilig über mitgelieferte Kohlenstoffquellen her. Evonik gibt den Mikroben den nötigen Proviant gleich mit auf den Weg. Die genaue Zusammensetzung ist streng vertraulich. „Neben dem Bakterienstamm, den wir zum Patent angemeldet haben, ist die Nährstoffformulierung unser wichtigstes Betriebsgeheimnis“, sagt Falke. Nur so viel: Zucker, die Leibspeise vieler Bakterien, fällt aus. Er wäre Gift für jeden Beton, da er das Abbinden stört.

Im Städtchen Gaggenau bei Baden Baden hat Evonik den ersten experimentierfreudigen Partner gefunden, der WallCraft in der Praxis testet. Die Firma Grötz produziert hier Fertiggaragen aus Beton, die per Lkw zum Kunden geliefert werden. Weniger Risse im Beton sind für das Unternehmen ein gutes Verkaufsargument, zumal sich im Praxistest zeigte, dass WallCraft außerdem die Bildung von Fehlstellen mindert. Diese entstehen beim Aushärten an den Oberflächen und in den Ecken der Schalung und müssen nachträglich mit der Kelle verfüllt werden. Weil die mühsame Handarbeit wegfällt, macht sich der Einsatz von WallCraft schon beim Betonieren bezahlt.

Künftig soll das Material mit Mikroben weltweit zum Einsatz kommen: nicht nur in Garagen, sondern auch in Wohnblöcken, Brücken, Dämmen und vielem mehr. So könnte es einen wichtigen Beitrag dazu leisten, dass der Universalbaustoff Beton weiterhin eine große Zukunft vor sich hat.