Levande betong med alger får byggnader att ”sluka” CO₂

Ett byggmaterial som är mycket mer än bara betong

Det här handlar inte om ytterligare ett lager grön färg på en fasad eller en dekorativ vertikal trädgård. Vi talar om ett material som beter sig som något mittemellan puts och en levande organism: det andas, växer, mineraliseras och kan permanent ”låsa in” CO₂ i sig själv. Om teknologin når storskalig produktion skulle fasader på bostadshus och kontorsbyggnader kunna fungera lite som en konstgjord skog.

Alger som fungerar som små betongfabriker

Kärnan i projektet är så kallade cyanobakterier, som i vardagligt tal ofta kallas för blågrönalger. De tillhör jordens äldsta livsformer och har funnits i över 3 miljarder år. Ända sedan början har de behärskat fotosyntesen – alltså omvandlingen av solljus, vatten och CO₂ till syre och organiska föreningar.

Forskarteamet från ETH Zürich (Eidgenössische Technische Hochschule Zürich) tog saken ett steg längre och använde dessa mikroorganismer inte bara som ett ”dammsugarsystem” för koldioxid. Det avgörande är att vissa arter av cyanobakterier kan omvandla det upptagna koldioxiden till mineral som liknar kalciumkarbonat – samma ämne som finns i kalksten och musslor.

Samma process som i miljontals år har byggt upp korallrev och kalkstensformationer har forskarna nu pressat ner i ett tunt lager framtida puts.

Organismen växer först i en fuktig gel där den samlar upp CO₂ och producerar biomassa. När tillväxten når sin gräns startar fas två – mineraliseringen. Ett slags inre ”stenigt” skelett byggs upp inne i materialet. Därigenom fångas kolet för lång tid och själva kompositmaterialet blir successivt hårdare.

Hydrogel som ett akvariumparadis – men 3D-printat

För att ge algerna någonstans att leva utvecklade forskarna en specialdesignad hydrogel. Det är ett mjukt, vattenmättat material med en mycket porös struktur. Den fungerar lite som en svamp: den låter vatten, gas och ljus passera genom samtidigt som den upprätthåller stabila förhållanden för mikroorganismerna.

Det mest fascinerande är att denna hydrogel kan skrivas ut med 3D-printteknologi. Det möjliggör formgivning av komplexa strukturer samtidigt som man kan styra tjocklek, genomsläpplighet och det sätt som ljuset träffar algcellerna på. I praktiken kan man alltså designa en fasad som maximerar CO₂-upptagningen under givna ljusförhållanden.

• Hydrogelen fungerar som ”hem” för cyanobakterierna.
• 3D-strukturen främjar tillförseln av ljus, vatten och koldioxid.
• Den höga vattenhalten skyddar cellerna mot uttorkning.
• Materialets porositet påverkar hastigheten på mineraliseringen.

Under laboratorietester fungerade materialet oavbrutet i cirka 400 dagar. Under den perioden band det i genomsnitt 26 mg CO₂ per gram massa – och det i form av varaktiga mineralavlagringar. Jämfört med andra biologiska metoder för CO₂-infångning är det en anmärkningsvärt hög effektivitet.

Väggar som verkligen ”andas in” koldioxid

Teamet från ETH har inga planer på att stanna vid laboratorieprover. Målet är att materialet ska användas på byggnadsfasader som ett slags aktivt beläggning. En yttervägg klädd med denna komposit skulle bli mycket mer än bara ett skydd mot regn – den skulle aktivt bidra till stadens koldioxidbalans.

På en arkitekturutställning i Venedig presenterade forskarna prototyper i form av ”stammar” med organiska former. Enligt deras beräkningar kan varje sådant element absorbera upp till 18 kg CO₂ om året. Det motsvarar ungefär vad ett genomsnittligt 20-årigt barrträd tar upp.

Under det 400 dagar långa experimentet blev proverna gradvis mörkare och grönare allteftersom algerna utförde intensiv fotosyntes. Samtidigt stelnade materialet eftersom karbonatmineral hopades inuti. Något som i början liknade en mjuk gel började bete sig som ett hållbart, halvstenpåminnande kompositmaterial.

Materialet förlorar inte sina mekaniska egenskaper över tid – tvärtom ”mognar” det och blir allt styvare och mer motståndskraftigt.

Bioteknik accelererar det gröna byggandet

Forskarna vid ETH ser detta som bara det första steget. De planerar att genetiskt modifiera de använda cyanobakterierna för att ytterligare öka deras fotosynteshastighet och mineraliseringstempo. Teoretiskt sett kan en enda förändring i den metaboliska vägen innebära att samma kvadratmeter fasad binder betydligt mer CO₂ på kortare tid.

Forskarteamet överväger också det optimala systemet för att leverera näringsämnen till algerna. I experimenten använde man konstgjort havsvatten rikt på mineralsalter. Under verkliga urbana förhållanden är materialet naturligtvis inte konstant nedsänkt i en sådan lösning. Därför måste man hitta ett sätt att ”inbädda” de nödvändiga grundämnena direkt i kompositens struktur eller kombinera det med ett diskret bevattningssystem.

Ett energibesparande alternativ till industriella anläggningar

En stor fördel med det levande materialet är dess låga energiförbrukning. Traditionella CO₂-infångningsanläggningar kräver ofta höga temperaturer, kraftfulla fläktar och komplex kemi. Här är solen drivkraften och all kemisk behandling sker inne i algcellerna.

Cyanobakterierna klarar själva den svåraste delen av arbetet: de tar upp gasen från omgivningen, omvandlar den och stänger in den i form av ett mineraliskt skelett. För ingenjörer innebär det en teknik som enkelt låter sig integreras med befintlig infrastruktur – exempelvis som ett extra lager på prefabricerade fasadpaneler.

Detta är inte en konkurrent till industriella CO₂-borttagningsanläggningar, utan ett extraverktyg som arkitekturen kan få med på köpet vid val av nytt byggmaterial.

Vad kan detta förändra i städer och byggande

Om liknande lösningar når marknaden kommer begreppet ”hållbar byggnad” att få en helt ny innebörd. Idag fokuserar grönt byggande främst på att minska energiförbrukning, förbättra värmeisolering och återanvända material. Här handlar det om att aktivt avlägsna växthusgaser från atmosfären.

Föreställ dig ett bostadshus klätt med ett lager av detta material. Varje våningsplan fungerar som ett tunt ”bälte” av skog. Ett dussin eller ett par hundra sådana byggnader i ett bostadsområde skulle potentiellt kunna neutralisera de årliga utsläppen från en lokal värmeanläggning eller en del av områdets bilar. Det är naturligtvis en vision för kommande decennier – men siffrorna från experimenten visar att det inte är ren fantasi.

Möjligheter, risker och praktiska frågor

Innan storskalig implementering dyker en rad tekniska frågor upp. Cyanobakterierna måste överleva frost, långvarig torka och kontakt med damm och föroreningar från trafikerade vägar. Det ska också klargöras hur ofta materialet kräver ”underhåll” och om det börjar flagna av eller förlora sina egenskaper efter några år.

Hälsomässiga hänsyn är också viktiga – vissa blågrönalgsarter producerar toxiner i naturliga vattenmiljöer. Forskarna väljer därför endast säkra stammar och inneslutar dem dessutom i gelstrukturen så att de inte sprids till omgivningen. Trots detta kommer bygg- och hälsonormer med stor sannolikhet att kräva omfattande tester.

Lyckas man övervinna dessa barriärer kan material med levande mikroorganismer bli ett fast inslag i designerns verktygslåda. Redan idag experimenteras det med mycelium som ersättning för frigolit och tegel ”odlade” med hjälp av bakterier. Algerna tillför detta repertoar funktionen som aktiv CO₂-avlägsnare och konstruktionsförstärkare via mineralisering.

För den genomsnittlige byggnadsanvändaren är det mest spännande att sådana lösningar inte behöver se ut som ett laboratorium. Hydrogelen är osynlig bakom det yttre ytskiktet, eller den antar former som påminner om skulpturala paneler som ger fasaden karaktär. Och ändå arbetar det i det tysta en enorm, mikroskopisk ”stad” av organismer som dag efter dag omvandlar koldioxid till något hårt som sten.