Lebendes Material aus dem Drucker Ein Baustoff, der lebt und Kohlenstoff speichert

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ETH-Forschende entwickeln ein lebendes Material, das der Atmosphäre aktiv Kohlendioxid entzieht. In seinem Innern wachsen photosynthetische Blaualgen, die Biomasse und feste Mineralien bilden und so CO₂ gleich zweifach binden.

Das Vorhaben mutet futuristisch an: An der ETH Zürich forschen verschiedene Fachrichtungen vereint daran, herkömmliche Werkstoffe mit Bakterien, Algen oder Pilzen zu kombinieren. Das gemeinsame Ziel: Lebende Materialien kreieren, die dank dem Stoffwechsel der Mikroorganismen nützliche Eigenschaften erlangen – „etwa die Fähigkeit, mittels Photosynthese CO₂ aus der Luft zu binden“, sagt Mark Tibbitt, Professor für Makromolekulares Engineering an der ETH Zürich.

Ein interdisziplinäres Forschungsteam unter Tibbitts Leitung hat diese Vision nun in die Realität umgesetzt: Es hat photosynthetische Bakterien – so genannte Cyanobakterien oder Blaualgen – stabil in ein druckbares Gel eingebracht und daraus einen Werkstoff entwickelt, der lebt, im Innern wächst und aktiv Kohlenstoff aus der Luft entfernt. In einer Studie im Fachmagazin Nature Communications haben die Forschenden ihr „photosynthetisches lebendes Material“ kürzlich vorgestellt.

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Kennzeichen: Zweifache Kohlenstoffbindung

Der lebende Werkstoff lässt sich mittels 3D-Druck beliebig formen und braucht für sein Wachstum neben CO₂ nur Sonnenlicht und künstliches Meerwasser mit leicht verfügbaren Nährstoffen. „Als Baumaterial könnte er in Zukunft helfen, CO₂ direkt in Gebäuden zu speichern“, sagt Tibbitt, der die Forschung zu lebenden Materialien an der ETH Zürich mitinitiiert hat.

Das Besondere daran: Das lebende Material nimmt viel mehr CO₂ auf, als es durch organisches Wachstum bindet. „Das liegt daran, dass das Material Kohlenstoff nicht nur in Biomasse, sondern auch in Form von Mineralien speichern kann – eine besondere Eigenschaft der Blaualgen“, verrät Tibbitt.

Yifan Cui, einer der beiden Erstautor:innen der Studie, erklärt: „Cyanobakterien zählen zu den ältesten Lebensformen der Welt. Sie betreiben Photosynthese hocheffizient und können selbst schwächstes Licht verwerten, um aus CO₂ und Wasser Biomasse herzustellen“.

Gleichzeitig verändern Blaualgen als Folge der Photosynthese ihre chemische Umgebung außerhalb der Zelle, so dass feste Karbonate (etwa Kalk) ausfällen. Diese Mineralien stellen eine zusätzliche Kohlenstoffsenke dar und speichern CO₂ – im Gegensatz zu Biomasse – dauerhaft.

Blaualgen als Baumeister

„Diese Fähigkeit nutzen wir gezielt in unserem Material“, sagt Cui, der in Tibbitts Forschungsgruppe doktoriert. Praktischer Nebeneffekt: Die Mineralien lagern sich im Innern des Materials ab und verstärken es mechanisch. So härten die Cyanobakterien die anfänglich weichen Strukturen langsam aus.

Laborversuche zeigten, dass das Material über einen Zeitraum von 400 Tagen kontinuierlich CO₂ bindet, den größten Teil in mineralischer Form – rund 26 Milligramm CO₂ pro Gramm Material. Das ist deutlich mehr als bei vielen biologischen Ansätzen und vergleichbar mit der chemischen Mineralisierung von Recyclingbeton (rund 7 mg CO₂ pro Gramm).

Hydrogel als Habitat

Beim Trägermaterial, das die Blaualgen beherbergt, handelt es sich um ein Hydrogel – ein Gel aus vernetzen Polymeren mit einem hohen Wassergehalt. Das Team um Tibbitt hat das Polymernetzwerk so gewählt, dass es Licht, CO₂, Wasser und Nährstoffe transportieren kann und es den Zellen erlaubt, sich im Inneren gleichmäßig zu verbreiten, ohne das Material zu verlassen.

Damit die Cyanobakterien möglichst lange leben und leistungsfähig bleiben, haben die Forschenden auch die Geometrie der Strukturen mithilfe von 3D-Druckverfahren optimiert, dass sie die Oberfläche vergrößert, die Lichtdurchdringung erhöht und den Nährstofffluss fördert.

Co-Erstautorin Dalia Dranseike: „So kreierten wir Strukturen, die nur mit einem kleinen Teil in der Nährflüssigkeit stehen und diese passiv durch Kapillarkräfte im ganzen Körper verteilen.“ Dank diesem Design hätten die eingekapselten Cyanobakterien mehr als ein Jahr lang produktiv gelebt, freut sich die Materialforscherin in Tibbitts Team.

Infrastruktur als Kohlenstoffsenke

Die Forschenden sehen ihr lebendes Material als energiearmen und umweltfreundlichen Ansatz, der CO₂ aus der Atmosphäre binden und bestehende chemischen Verfahren ergänzen kann. „In Zukunft wollen wir untersuchen, wie das Material als Beschichtung für Gebäudefassaden verwendet werden kann, um während des ganzen Lebenszyklus eines Bauwerks CO₂ zu binden“, blickt Tibbitt voraus.

Bis dahin ist es noch ein weiter Weg – doch Kollegen aus der Architektur haben das Konzept bereits aufgenommen und erste Interpretationen experimentell umgesetzt.

Zwei Installationen in Venedig und Mailand

Dank ETH-Doktorandin Andrea Shin Ling hat es die Grundlagenforschung aus den ETH-Laboren auf die grosse Bühne der Architekturbiennale in Venedig geschafft. „Besonders herausfordernd war dabei, den Fertigungsprozess vom Laborformat auf Raumdimensionen zu skalieren“, sagt die Architektin und Biodesignerin, die an der vorliegenden Studie ebenfalls beteiligt ist.

Ling doktoriert am Lehrstuhl für Digitale Bautechnologien von ETH-Professor Benjamin Dillenburger. In ihrer Dissertation hat sie eine Plattform für die Biofabrikation entwickelt, die lebende Strukturen mit eingebetteten Cyanobakterien im architektonischen Massstab drucken kann.

Für die Installation Picoplanktonics im Kanada-Pavillon hat das Projektteam die gedruckten Strukturen als lebende Bausteine verwendet, um zwei rund drei Meter hohe, baumstrunkartige Objekte zu errichten. Diese können dank den Cyanobakterien je bis zu 18 kg CO₂ pro Jahr binden – etwa gleich viel wie eine 20 Jahre alte Kiefer der gemäßigten Zone.

„Die Installation ist ein Experiment – wir haben den Kanada-Pavillon so angepasst, dass er genügend Licht, Feuchtigkeit und Wärme bereitstellt, damit die Cyanobakterien gedeihen. Nun beobachten wir, wie sie sich verhalten“, sagt Ling. Das verpflichtet: Das Team überwacht und pflegt die Installation vor Ort – täglich. Noch bis zum 23. November.

Auf der 24. Triennale di Milano untersucht Dafne’s Skin das Potenzial lebender Materialien für künftige Gebäudehüllen. Auf 3D-bedruckten Holzschindeln bilden Mikroorganismen eine tiefgrüne Patina, die das Holz mit der Zeit verändert: Ein Zeichen des Zerfalls wird zum aktiven Designelement, das CO₂ bindet und die Ästhetik mikrobieller Vorgänge betont.

Dafne’s Skin ist eine Zusammenarbeit zwischen Studio Maeid und Dalia Dranseike. Die Installation ist Teil der Ausstellung „We the Bacteria: Notes Toward Biotic Architecture“ und läuft noch bis am 9. November.

References: Dranseike D, Cui Y, Ling AS et al. Dual carbon sequestration with photosynthetic living materials. Nature Communications 16, 3832 (2025). doi: external page10.1038/s41467-025-58761-y

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