Forschungsprojekt: ETH Zürich entwickelt Bauelemente aus bakteriengebundenem Sand
23.10.2026
Figure: Kai-Hsun Yeh/ETH Zürich
Forschende der ETH Zürich kombinieren Biocementierung mit 3D-Druck und Robotik, um aus Sand und Bakterien feste Bauelemente herzustellen. Das Verfahren nutzt Mikroorganismen, die Calciumcarbonat bilden und dadurch einzelne Sandkörner miteinander verbinden. Erste Fassadenelemente wurden bereits gefertigt.
Am Departement Architektur der ETH Zürich erforscht Karen Antorveza Paez ein Verfahren, bei dem Bakterien als Bindemittel für mineralische Baustoffe eingesetzt werden. Anders als bei der konventionellen Zementherstellung erfolgt die Verfestigung ohne hohe Brenntemperaturen. Stattdessen bilden die Mikroorganismen mikroskopisch kleine Calcitkristalle, die sich zwischen den Sandkörnern miteinander verzahnen und so eine feste Struktur erzeugen.
Dieser Prozess wird als mikrobiell induzierte Calciumcarbonat-Fällung (MICP) oder Biocementierung bezeichnet. Das Prinzip ist bereits aus der Bodenstabilisierung und der Forschung an selbstheilendem Beton bekannt. Neu ist die Kombination mit digitalen Fertigungsverfahren, um daraus eigenständige architektonische Bauelemente herzustellen.
Biocementierung im 3D-Druck
Für das erste Verfahren entwickelten die Forschenden eine druckfähige Mischung aus einem wasserbasierten Gel, Sand und lebenden Bakterien. Das Gel enthält unter anderem die natürlichen Stoffe Alginat und Xanthan. Die sogenannte Bio-Tinte lässt sich mit einem 3D-Drucker in die gewünschte Form bringen.
Anschließend wird das gedruckte Objekt in eine Lösung aus Harnstoff und Calciumchlorid getaucht. Die Bakterien bauen den Harnstoff mithilfe des Enzyms Urease ab. Dabei entstehen Carbonationen, die mit Calciumionen zu Calciumcarbonat reagieren. Die entstehenden Kristalle verbinden die Sandkörner und verfestigen das Bauelement.
Je nach angestrebter Festigkeit dauert dieser Prozess zwei bis fünf Tage. Währenddessen wird das Mineralisierungsbad täglich erneuert. Anschließend trocknet das Bauelement bei Raumtemperatur. Eine zusätzliche Wärmezufuhr ist nicht erforderlich.
Mit diesem Verfahren wurde unter anderem ein freistehendes Fassadenelement hergestellt, das beispielsweise als Sonnenschutz oder Trennwand eingesetzt werden könnte.
Robotergestützte Fertigung ohne Mineralisierungsbad
Bei einem zweiten Ansatz setzen die Forschenden auf ein robotergestütztes Sprühverfahren. Dabei trägt ein Roboterarm Sand, Bakterien und die für die Mineralisierung erforderlichen Stoffe wiederholt und nacheinander auf eine Oberfläche auf. Auf diese Weise wächst die Struktur Schicht für Schicht.
Das Verfahren orientiert sich an der natürlichen Entstehung von Stromatolithen, bei denen Mikroorganismen über lange Zeiträume mineralische Ablagerungen bilden. Bei der Architekturbiennale 2025 in Venedig wurde der Prozess über einen Zeitraum von sechs Monaten kontinuierlich demonstriert.
Nach Angaben der Forschenden zeigt das Verfahren, dass sich die Biocementierung automatisieren lässt. Während der 3D-Druck vor allem für die Herstellung einzelner Bauelemente vorgesehen ist, konzentriert sich das robotergestützte Sprühverfahren auf die Fertigung von Oberflächen.
Weitere Forschung zur Festigkeit und Umweltverträglichkeit erforderlich
Bis zu einem Einsatz als tragfähiger Baustoff besteht allerdings noch erheblicher Forschungsbedarf. Nach Einschätzung von Antorveza Paez ist das derzeit hergestellte Material hinsichtlich seiner Eigenschaften eher mit Mörtel als mit Beton vergleichbar. Insbesondere die Zusammenhänge zwischen Korngrößenverteilung, innerer Struktur, Bindung und Langzeitbeständigkeit müssen weiter untersucht werden.
Auch die Umweltverträglichkeit des Verfahrens ist noch nicht abschließend geklärt. Bei der mikrobiellen Reaktion entsteht Ammonium als Nebenprodukt, das bei unsachgemäßer Entsorgung die Umwelt belasten kann. Die Forschenden untersuchen deshalb, wie sich diese Auswirkungen reduzieren lassen.
Die bisherigen Ergebnisse zeigen, wie sich biologische Mineralisierungsprozesse mit additiven und automatisierten Fertigungsverfahren verbinden lassen. Ob und in welchem Umfang sich die Biocementierung künftig für die Herstellung von Bauelementen einsetzen lässt, hängt unter anderem von der weiteren Entwicklung der Materialeigenschaften und der Umweltverträglichkeit ab.
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