Schweiziskt ”levande” byggmaterial renar luften och reparerar sig själv

Ett nytt byggmaterial tar form i ett schweiziskt laboratorium

Någonstans i Schweiz utvecklas just nu ett revolutionerande byggmaterial som hamnar mitt emellan betong och en krukväxt. Det låter som ren fantasi, men forskningen är både påtaglig och lovande.

Vetenskapsmän har tagit fram ett konstruktionsmaterial byggt på alger som drar åt sig CO₂ ur atmosfären, stärks med åren och till och med läker sina egna sprickor. Om tekniken kan skalas upp kommer byggnader i framtiden aktivt kunna bromsa den globala uppvärmningen.

Levande material från Zürich

Vid ETH Zürich har forskare skapat ett så kallat levande material där mikroskopiska organismer utför själva arbetet — cyanobakterier, som många känner till som alger. Dessa urgamla mikroorganismer omvandlar CO₂ till syre och organiska föreningar med hjälp av solljus.

Det schweiziska forskarteamet inbäddade bakterierna i en specialdesignad hydrogel: ett vattenrikt, poröst material som påminner om mjuk, genomskinlig gelé. Denna gel utgör grunden för en byggnadskomponent som andas, växer och förstenas.

Materialet fångar CO₂ från luften, förvandlar det till fasta mineral och blir därmed starkare istället för svagare över tid.

Enligt forskarna kan denna nya typ av byggmaterial på sikt fungera som fasadbeklädnad, paneler eller dekorativa detaljer på byggnader som år ut och år in aktivt absorberar CO₂ från omgivningen.

Därför är cyanobakterier så fascinerande

Urgamla minifabriker

Cyanobakterier har funnits i över tre miljarder år och spelar en avgörande roll i naturens kolkretslopp. De utför fotosyntes: genom att använda solljus, vatten och CO₂ producerar de syre och sockerarter.

I den schweiziska forskningen tillkommer ett extra steg. En del av det upptagna koldioxiden försvinner inte bara in i bakteriernas biomassa, utan omvandlas till fasta mineral som liknar kalksten. Det skapar ett slags inre skelett av kalkavlagringar i materialet.

• CO₂ binds i bakteriernas biomassa
• En del av denna koldioxid förvandlas till fasta mineral
• Mineralen bildar ett styvt, bärande nätverk inuti materialet

Vanligtvis upphör tillväxten hos dessa organismer efter ungefär trettio dagar — och därmed även den tillfälliga CO₂-lagringen. Tack vare mineraliseringssteget blir en del av växthusgasen istället lagrad långt mer permanent i stenliknande strukturer.

Från mjuk gel till hård, grön ’sten’

Forskarna följde materialet under 400 dagar. Under denna period blev den ursprungligen mjuka, genomskinliga gelen gradvis grönare och hårdare. Bakterierna förblev aktiva, utförde fotosyntes och byggde kontinuerligt upp fler mineral.

Materialet lyckades i genomsnitt binda 26 milligram CO₂ per gram gel i form av fasta mineral. För ett biologiskt system är det relativt mycket, och det ger samtidigt en tydlig fördel för de mekaniska egenskaperna: gelen blir allt starkare ju fler mineral som bildas.

3D-printad gel som hem för alger

Hydrogel specialdesignad för ljus och luft

Hjärtat i innovationen är en 3D-printbar hydrogelformel. Materialets sammansättning och struktur är anpassad så att ljus, vatten och CO₂ kan tränga djupt in. Dessa tre faktorer avgör hur mycket fotosyntes bakterierna kan utföra.

Gelen innehåller mycket vatten och har ett poröst nätverk av kanaler som gör det enkelt för näringsämnen och gaser att cirkulera. Strukturen är samtidigt robust nog att användas som skiva, platta eller panel.

Eftersom gelen kan printas uppstår stor designfrihet. Arkitekter kan till exempel skapa böljande fasader, perforerade paneler eller trädliknande pelare som alla aktivt tar upp CO₂ från omgivningen.

Byggnader som andas som träd

Fasader som fångar CO₂

Forskarna tänker främst på användning i byggnaders yttre skal. Föreställ dig paneler på fasaden som tar emot solljus och samtidigt låter luft strömma längs det levande lagret.

På en arkitekturutställning i Venedig presenterade skaparna redan prototyper i form av konstgjorda trädstammar. Enligt beräkningarna kan varje stam ta upp omkring 18 kilo CO₂ per år — jämförbart med vad en tjugoårig tall absorberar.

Genom att kombinera flera sådana element kan en hel byggnad dra åt sig en märkbar mängd CO₂ ur luften. Det räcker inte för att kompensera för en hel stads utsläpp på en gång, men tillräckligt för att minska byggsektorns egen klimatpåverkan.

Självläkande förmåga tack vare fortsatt tillväxt

En intressant bieffekt är att materialet delvis kan laga små sprickor eller skador på egen hand. Så länge bakterierna får tillräckligt med ljus, vatten och CO₂ fortsätter de att avsätta nytt mineral. Detta mineral kan fylla igen sprickor och återställa ytan.

I praktiken kommer ett sådant levande element fortfarande kräva underhåll, men långt mindre än ett helt inaktivt material som bara nöts ner. Däremot måste man se till att organismerna inte dör av uttorkning, föroreningar eller extrem värme.

Bioteknik som turbo på CO₂-upptaget

Forskarna undersöker redan sätt att göra algerna ännu mer effektiva. Med genetiska metoder vill de förbättra fotosyntesen så att varje kvadratmeter fasad drar åt sig extra CO₂ ur luften.

Det väcker dock nya frågor. Hur säkerställer man att sådana modifierade bakterier inte släpps ut från materialet? Och hur garanterar man säkerheten om paneler skadas eller rivs ner? Dessa frågeställningar känns igen från andra tillämpningar av genetiskt modifierade mikroorganismer inom jordbruket och industrin.

En annan praktisk utmaning handlar om näring. I experimentet använde forskarna konstgjorda saltlösningar för att tillföra mineral och näringsämnen. För användning på riktiga byggnader måste detta antingen byggas in direkt i materialet eller tillföras via regnvatten och omgivande damm.

Låg energiförbrukning som stor fördel

Många befintliga tekniker för CO₂-fångst använder stora anläggningar som konstant blåser luft genom filter eller kemiska lösningar. Det kräver mycket energi, vilket innebär att en del av vinsten går förlorad igen.

Det levande byggmaterialet fungerar annorlunda. Energikällan är helt enkelt solljus. Ingen pump, fläkt eller värmepanna behövs för att hålla processen igång. Så länge fasaden får tillräckligt med dagsljus och inte torkar ut helt förblir bakterierna aktiva.

Tekniken drivs av gratis solenergi och förvandlar fasader till långsamma men konstanta CO₂-filter.

Enligt medförfattaren Mark Tibbitt kan materialet just därför fungera bra sida vid sida med andra klimatinsatser: traditionell CO₂-lagring i tomma gasfält, grönare städer och lägre utsläpp från industrin.

Vad detta kan innebära för byggsektorn

Byggsektorn är under press att sänka både utsläppen från materialproduktion och byggnaders klimatavtryck i användningsfasen. Material som tar upp CO₂ istället för att släppa ut det ger formgivare extra utrymme.

I teorin kan man göra en byggnad mer klimatvänlig på flera nivåer:

• Användning av material med lågt CO₂-avtryck, såsom trä och biobaserad isolering
• Fasader och tak som binder CO₂ via levande material
• Solceller och energibesparande installationer för lägre energibehov

Ett kontorsbygge skulle därmed på en gång kunna vara energieffektivt, delvis energiproducerande och CO₂-absorberande. Särskilt i tätbebyggda städer, där det finns lite plats för träd och parker, öppnar det för nya möjligheter.

Frågor som ska besvaras de kommande åren

Innan denna teknik dyker upp i stor skala i bostadsområden måste en lång rad steg genomföras. Det handlar om certifiering, brandsäkerhet, hållbarhetstester vid frost, hagel och värmeböljor samt frågan om hur materialet säkert återvinns när det är uttjänt.

Även estetik spelar en roll. En fasad som synligt blir grönare och kanske visar färgskillnader på grund av det levande lagret kommer för vissa vara attraktiv och för andra problematisk. Arkitekter och stadsplanerare kommer behöva tänka aktivt kring former, färger och mönster som passar in i gatubilden.

Ändå visar denna schweiziska forskning tydligt hur biologi och byggteknik närmar sig varandra. Där vi tidigare främst staplade betong och stål rör sig sektorn stadigt mot material som reagerar på sin omgivning — paneler som producerar energi, fönster som automatiskt mörknar och nu fasader som renar luften och gradvis förstärker sig själva.