managing21.be

Onderzoekers aan de Eidgenössische Technische Hochschule Zürich ontwikkelen een levend materiaal dat actief koolstofdioxide uit de atmosfeer onttrekt. Het materiaal omvat fotosynthetische cyanobacteriën, die biomassa en vaste mineralen vormen. Op die manier kan koolstofdioxide op twee verschillende manieren worden gebonden. De onderzoekers spreken daarbij van een bouwmateriaal, dat driedimensionaal kan worden geprint, dat de ecologische voetafdruk van gebouwen en infrastructuur kan helpen verkleinen.

De Zwitserse wetenschappers streven naar de creatie van levende materialen die nuttige eigenschappen verkrijgen dankzij het metabolisme van micro-organismen. Daarbij worden conventionele materialen gecombineerd met bacteriën, algen en schimmels. “Hierdoor kan onder meer worden gezocht naar mogelijkheden om koolstofdioxide uit de lucht te binden door middel van fotosynthese”, stipt onderzoeker Mark Tibbitt, professor macromoleculaire engineering aan de ETH Zürich, aan.

Het team heeft nu aangekondigd fotosynthetische bacteriën – cyanobacteriën – stabiel in een printbare gel te hebben kunnen verwerken. Dat leidde tot de ontwikkeling van een materiaal dat leeft, groeit en actief koolstofdioxide uit de lucht haalt. “Het materiaal kan worden gevormd met behulp van 3D-printing en heeft naast koolstofdioxide alleen zonlicht en kunstmatig zeewater met direct beschikbare voedingsstoffen nodig om te groeien”, beklemtoont Tibbitt.

“Als bouwmateriaal zou dit product in de toekomst kunnen helpen om koolstofdioxide direct in gebouwen op te slaan”, betoogt Tibbitt. “Bijzonder is bovendien dat het levende materiaal veel meer koolstofdioxide kan absorberen dan door organische groei kan binden. Dit komt doordat het materiaal de koolstofdioxide niet alleen in biomassa, maar ook in de vorm van mineralen – een bijzondere eigenschap van deze cyanobacteriën – kan opslaan.”

“Cyanobacteriën behoren tot de oudste levensvormen ter wereld”, verduidelijken de onderzoekers. “Ze zijn bijzonder efficiënt in fotosynthese en kunnen zelfs het zwakste licht gebruiken om uit koolstofdioxide en water biomassa te produceren.”

Tegelijkertijd veranderen de bacteriën hun chemische omgeving buiten de cel als gevolg van fotosynthese, waardoor vaste carbonaten – zoals kalk – neerslaan. Deze mineralen vormen een extra koolstofput en slaan – in tegenstelling tot biomassa – koolstofdioxide in een stabielere vorm op.”

Coating

“We benutten dit vermogen specifiek in ons materiaal”, stippen de Zwitserse wetenschappers aan. “Er is ook een praktisch neveneffect. De mineralen zetten zich immers in het materiaal af en versterken het mechanisch. Op die manier verharden de cyanobacteriën langzaam de aanvankelijk zachte structuren.”

“Laboratoriumtests toonden aan dat het materiaal gedurende 400 dagen continu koolstofdioxide bindt. Het grootste deel daarvan – ongeveer 26 milligram koolstofdioxide per gram materiaal – wordt in minerale vorm gecreëerd. Dit is aanzienlijk meer dan veel biologische benaderingen en vergelijkbaar met de chemische mineralisatie van gerecycled beton, waarbij sprake is van ongeveer 7 milligram koolstofdioxide per gram materiaal.”

De drager die de levende cellen herbergt, is een hydrogel die wordt gecreëerd door verbonden polymeren met een hoog watergehalte. Het team van Tibbitt zorgde er daarbij voor dat polymeernetwerk het licht, koolstofdioxide, water en voedingsstoffen kan transporteren en de cellen zich gelijkmatig binnenin kunnen verspreiden zonder het materiaal te verlaten. Om ervoor te zorgen dat de cyanobacteriën zo lang mogelijk leven en efficiënt blijven, hebben de onderzoekers ook de geometrie van de structuren geoptimaliseerd, waarbij met behulp van 3D-printprocessen het oppervlak werd vergroot, de lichtpenetratie werd verhoogd en de voedingsstroom werd bevorderd.

“Op deze manier konden we structuren creëren die lichtpenetratie mogelijk maken en voedingsvloeistof passief door het lichaam verspreiden via capillaire krachten”, beklemtoonden de onderzoekers. “Dankzij dit ontwerp konden de ingekapselde cyanobacteriën meer dan een jaar productief blijven.

De onderzoekers beschouwen hun levende materiaal als een energiezuinige en milieuvriendelijke aanpak die koolstofdioxide uit de atmosfeer kan binden en bestaande chemische processen voor koolstofvastlegging kan aanvullen. “In de toekomst willen we onderzoeken op welke manier het materiaal kan worden gebruikt als coating voor gevels om koolstofdioxide te binden gedurende de gehele levenscyclus van een gebouw”, verduidelijkte Tibbitt.

De wetenschappers wijzen er wel op dat er nog een lange weg moet worden afgelegd vooraleer van een commerciële toepassing gewag kan worden gemaakt, maar inmiddels hebben een aantal collega’s uit de architectuur hebben het concept al opgepakt en op experimentele wijze de eerste interpretaties gerealiseerd.

Op de Architectuurbiënnale in Venetië toonde Andrea Shin Ling, medewerkster van de ETH Zürich, met de installatie Picoplanktonics een platform voor biofabricage dat levende structuren met functionele cyanobacteriën op architectonische schaal kan printen. Ling gebruikte de geprinte structuren als levende bouwstenen om twee boomstamachtige objecten te bouwen, waarvan de grootste ongeveer drie meter hoog is. Dankzij de cyanobacteriën kunnen deze objecten elk tot 18 kilogram koolstofdioxide. Dat is ongeveer evenveel als een twintig jaar oude dennenboom in de gematigde zone.

Op de 24ste Triënnale van Milaan onderzoekt het project Dafne’s Skin – een samenwerking tussen de Maeid Studio en Dalia Dranseike – bovendien de mogelijkheden van levende materialen voor toekomstige bouwlagen. Dafne’s Skin toont een constructie die met houten dakspanen is bedekt en waar micro-organismen zorgen voor de vorming van een diepgroene patina die het hout in de loop der tijd verandert. “Dit teken van verval wordt een actief proces dat koolstofdioxide bindt en de esthetiek van microbiële processen benadrukt”, benadrukken de initiatiefnemers.

Meer over dit onderwerp:

• Duurzame coating kan energiegebruik gebouwen met 20 procent verminderen
• Opslag koolstofdioxide in aardgas mogelijk concurrentiële energie-oplossing
• Platform Fraunhofer levert in alle weersomstandigheden voorspelbare hernieuwbare energie
• Amerikaanse tegenwind tegen opslag koolstofdioxide heeft gemengde gevolgen
• Beton wordt basis duurzame en betaalbare woningen
• Cementfabrikant Holcim verkoopt Amerikaanse dochter Amrize
• Chinese wetenschappers transformeren stro tot isolatiepanelen voor bouwsector
• Uitstoot koolstofdioxide van kunstmatige intelligentie kan sterk variëren
• Chinees kunstmest verhoogt opbrengsten en beperkt emissies
• Klei biedt mogelijkheden voor opslag van koolstofdioxide