Bacteriën maken bouwmateriaal van zand, zonder hete oven

Cement maken kost veel energie. Kalksteen wordt in grote ovens verhit tot zo'n 1.450 graden Celsius, en daarbij komt veel CO2 vrij. De cementindustrie veroorzaakt zo ongeveer 8 procent van de wereldwijde uitstoot van CO2. Onderzoekers van ETH Zürich in Zwitserland laten zien dat het ook anders kan: zij laten bacteriën het werk doen, zonder oven.

Bacteriën als metselaar

Achter het werk zit architect Karen Antorveza Paez, die net is gepromoveerd aan de afdeling Architectuur van ETH Zürich. Ze leidt het project in de groep Digital Building Technologies van hoogleraar Benjamin Dillenburger. Voor het printwerk werkte ze ook samen met de groep Complex Materials van André Studart.

Ze gebruiken een bacterie die van nature in de bodem leeft, Sporosarcina pasteurii. Die bacterie breekt ureum af, een stof die ook in urine zit. Daarbij ontstaat carbonaat, een van de bouwstenen van kalk. Komt dat in contact met calcium, dan groeien er piepkleine kalkkristallen tussen de zandkorrels. Die kristallen haken in elkaar en houden de korrels vast, een beetje zoals ijs losse sneeuw aan elkaar vriest. Zo ontstaat biocement: zand dat door bacteriën tot een harde massa is gemaakt.

Antorveza Paez vergelijkt het met een cake bakken: je begint met deeg dat nog zacht en breekbaar is, en pas de oven maakt er iets stevigs van. Bij haar methode nemen de bacteriën de rol van de oven over.

Bacteriën als deze worden al langer onderzocht, bijvoorbeeld om losse grond te verstevigen of om scheurtjes in beton vanzelf te laten dichtgroeien. Nieuw is dat biocement hier een bouwmateriaal op zich is, waar je vrije vormen mee kunt maken.

Printen en spuiten

De onderzoekers hebben twee manieren ontwikkeld om er iets mee te bouwen.

De eerste is 3D-printen. Ze maken een soort printinkt van water, zand, levende bacteriën en twee natuurlijke bindmiddelen (alginaat uit zeewier en xanthaan, dat ook in voedsel wordt gebruikt). Het geprinte voorwerp gaat daarna in een bad met ureum en een calciumzout. Afhankelijk van hoe hard het moet worden, duurt dat twee tot vijf dagen. Het bad wordt elke dag ververst. Daarna droogt het voorwerp bij kamertemperatuur en worden de bacteriën inactief. Wat overblijft is steen. Zo heeft het team al een gevelelement gemaakt dat als zonwering of als tussenwand kan dienen.

De tweede manier is spuiten. Een robotarm spuit laag voor laag bacteriën, zand en de benodigde stoffen op een oppervlak. Daarvoor is geen bad nodig. Het idee komt uit de natuur: stromatolieten, rotsachtige bulten die in de loop van lange tijd laag voor laag door bacteriën worden opgebouwd. Op de Architectuurbiënnale van Venetië in 2025 liet een robot zo zes maanden lang onafgebroken een object groeien, onder de ogen van het publiek. Daarmee liet het team zien dat het hele proces kan worden geautomatiseerd.

Volgens Antorveza Paez vullen de twee methoden elkaar aan: printen is geschikt voor losse bouwdelen, spuiten voor oppervlakken. De resultaten staan in drie wetenschappelijke artikelen die dit jaar zijn verschenen.

Wat nog moet gebeuren

Het biocement is nu ongeveer zo sterk als metselspecie, de mortel tussen bakstenen. Voor dragende muren of vloeren is het nog niet sterk genoeg. Het past daarom vooral bij onderdelen die geen gewicht hoeven te dragen, zoals tussenwanden en gevelpanelen. Daar staat tegenover dat het recept van beton al meer dan honderd jaar wordt verfijnd, terwijl het onderzoek naar biocement net begint. De beste mix van zand en korrelgroottes moet nog worden gevonden.

Er is ook een bijproduct: bij het afbreken van ureum ontstaat ammonium, een stof die het milieu flink belast. Antorveza Paez zegt zelf dat bouwen met biocement pas echt duurzaam is als ook goed geregeld is wat er met dat ammonium gebeurt. Daar werkt ze nu aan in een nieuw onderzoek naar de milieueffecten en mogelijke oplossingen. Voor de spuitmethode wil het team daarnaast beter begrijpen hoe korrels en kalk zich binnenin ordenen. Volgens Antorveza Paez is de grote vraag niet meer óf biocement werkt, maar hoe goed we de eigenschappen ervan kunnen sturen.

Wat betekent dit voor de weg naar de singulariteit?

Bouwen met levende organismen in plaats van met vuur en hitte is een mooie omslag in denken. De natuur maakt al miljoenen jaren sterke materialen bij gewone temperatuur, zoals schelpen, koraal en botten. Dit onderzoek laat zien dat we die kunst stap voor stap leren gebruiken, met moderne gereedschappen als 3D-printers en robots.

AI kan dat versnellen. Hoe sterk biocement wordt, hangt af van veel knoppen tegelijk: het soort zand, de hoeveelheid bacteriën, de samenstelling van het bad en de vorm van het geprinte object. AI-modellen kunnen uit proeven leren welke combinaties het beste werken en zo voorspellen welke volgende proef het meest oplevert. En een groot taalmodel kent zowel microbiologie als bouwkunde. Het kan verbanden leggen die een specialist uit één vakgebied mist, bijvoorbeeld met bacteriën uit de afvalwaterzuivering, die ammonium al dagelijks omzetten. Zo komt een toekomst dichterbij waarin we gebouwen kunnen laten groeien in plaats van bakken.

Wat is de technologische singulariteit? Lees de uitleg →