Gedruckter Beton ist 60 Prozent leichter, aber genauso stabil

Beton spielt eine wichtige Rolle in unserer Zivilisation und ist die Basis von Bauwerken. Gleichzeitig geht damit ein großes Problem einher. Bis zu 9 Prozent der globalen Treibhausgasemissionen gehen auf das Konto der Betonproduktion. 

Um eine klimafreundliche Alternative für Gebäude, Brücken und andere Infrastrukturen zu schaffen, haben Forschende der University of Pennsylvania eine neue Art von Beton entwickelt. Dieser ist nicht nur stabiler und ressourcenschonender, sondern kann auch CO2 speichern. Die Ergebnisse der Studie wurden im Journal Advanced Functional Materials veröffentlicht. 

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Der 3D-Beton 

Um den Beton zu entwickeln, nutzten die Forscher 3D-Druck. Der Beton besteht hauptsächlich aus sogenannter Diatomeenerde, die auch Kieselgur genannt wird. Dabei handelt es sich um ein Füllmaterial, das aus fossilen Mikroorganismen wie mikroskopisch kleinen Algen besteht. 

Der Vorteil von Diatomeenerde ist die feine, poröse und schwammartige Beschaffenheit des Materials."Ich war fasziniert davon, wie dieses natürliche Material CO₂ absorbieren kann. Und ich begann mich zu fragen: Was wäre, wenn wir es direkt in Baumaterialien integrieren könnten?", sagt Shu Yang, die an der Studie und Herstellung des Betons beteiligt war. Durch die Mischung mit Diatomeenerde kann der Beton 142 Prozent mehr CO2 binden als herkömmliche Mischungen. 

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Hohe Stabilität und weniger Ressourcen

Überrascht waren die Forscher, als sie erkannten, dass der Beton durch die Diatomeenerde auch stabiler wurde. Denn normalerweise leidet die mechanische Festigkeit unter einer höheren Porosität. Beim Aushärten des Betons kam es zur Bildung von Kalziumkarbonat, das nicht nur CO2 speichert, sondern auch die Festigkeit des Betons verbessert. 

Zusätzlich werden weniger Inhaltsstoffe wie Zement benötigt. “Wir konnten das Material um fast 60 Prozent reduzieren und trotzdem die Last tragen, was zeigt, dass man mit viel weniger Material viel mehr erreichen kann", sagt Co-Autor Masoud Akbarzadeh. 

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Die passende Geometrie

Durch den 3D-Druck kann man die Bauteile bzw. den Beton nach Belieben gestalten. Wichtig war dabei auch die Geometrie des Materials. Die Forscher nutzten sogenannte dreifach periodische Minimalflächen (TPMS). Das sind mathematisch komplexe, aber natürlich vorkommende Strukturen, heißt es von den Forschern.

Beispielsweise kommen sie in Knochen, Korallenriffen oder Seesternen vor. "Die Formen sind komplex, aber natürlich effizient, da sie die Oberfläche und die geometrische Steifigkeit maximieren und gleichzeitig das Material minimieren", erklärt Akbarzadeh.

Das Team entwarf eine Betonstruktur, die selbst bei steilen Überhängen stabil bleibt. Druck- und Zugkräfte wurden gezielt verteilt und durch Vorspannkabel ergänzt, bevor die Bauteile in Schichten gedruckt und unter realen Bedingungen getestet wurden. Das Oberflächen-Volumenverhältnis wurde durch die komplexen Formen auf über 500 Prozent erhöht. Das wirkt sich auch auf die Effizienz des Materials aus. 

Auch im Ozean einsetzbar

In Zukunft möchte das Team die Strukturen größer bauen, sodass sie als Böden, Fassaden und tragende Platten verwendet werden können. "Wir testen größere Komponenten mit komplexeren Verstärkungsschemata", sagt Akbarzadeh. Darüber hinaus könne das Material auch in Meeren eingesetzt werden. 

Durch die ökologische Verträglichkeit eigne sich das Material für künstliche Riffe, Austernbänke oder Korallenplattformen. "Die große Oberfläche hilft Meeresorganismen, sich anzusiedeln und zu wachsen, während das Material passiv CO₂ aus dem umgebenden Wasser absorbiert", sagt Yang. Darüber hinaus arbeitet das Team daran, klimaschädlichen Zement vollständig zu ersetzen. Dafür sollen alternative Bindemittel oder Abfallprodukte zum Einsatz kommen.