Een nieuw levend materiaal haalt actief koolstofdioxide (CO2) uit de atmosfeer. In het materiaal groeien fotosynthetische cyanobacteriën. Hierdoor ontstaan biomassa en vaste mineralen, en bindt het materiaal CO2 op twee verschillende manieren aan zich.
Het materiaal is ontwikkeld door een interdisciplinair onderzoeksteam onder leiding van Mark Tibbitt, Professor of Macromolecular Engineering aan ETH Zurich. De onderzoekers combineren binnen hun project conventionele materialen met bacteriën, algen en schimmels.
Het doel daarbij is de creatie van levende materialen die nuttige eigenschappen verkrijgen dankzij het metabolisme van micro-organismen. Het verwijderen van CO2 uit de lucht door middel van fotosynthese is daarvan een voorbeeld.
Cyanobacteriën verwerkt in een hydrogel
Het materiaal omvat cyanobacteriën, bacteriën die in staat zijn tot fotosynthese. Deze bacteriën zijn verwerkt in een gel. Het materiaal leeft, groeit en kan actief CO2 uit de lucht verwijderen. De onderzoekers vervaardigen het materiaal met behulp van een 3D-printer. Vervolgens zijn alleen zonlicht en kunstmatig zeewater met gemakkelijk verkrijgbare voedingsstoffen voedingsstoffen nodig, in combinatie met CO2.
Een opvallend kenmerk van het materiaal is dat het op twee manieren CO2 aan zich bindt. Het materiaal neemt niet alleen CO2 op door organische groei, maar kan dit ook opslaan in de vorm van mineralen. “Als bouwmateriaal kan het in de toekomst helpen om CO2 direct in gebouwen op te slaan,” legt Tibbitt uit.
‘Een van de oudste levensvormen ter wereld’
Yifan Cui, een van de twee hoofdauteurs van de studie, vult aan: “Cyanobacteriën behoren tot de oudste levensvormen ter wereld. Ze zijn zeer efficiënt in fotosynthese en kunnen zelfs het zwakste licht gebruiken om biomassa te produceren uit CO2 en water.”
Tegelijkertijd veranderen de bacteriën hun chemische omgeving buiten de cel dankzij fotosynthese, waardoor vaste carbonaten neerslaan. Deze mineralen zorgen zo voor de opslag van extra CO2.
26 milligram CO2 per gram materiaal
Uit laboratoriumtests blijkt dat het materiaal continu CO2 bindt over een periode van 400 dagen. Het meeste materiaal wordt daarbij opgeslagen in minerale vorm: ongeveer 26 milligram CO2 per gram materiaal. Dit is significant meer dan veel biologische benaderingen en vergelijkbaar met de chemische mineralisatie van gerecycleerd beton, melden de onderzoekers.
Het materiaal is geïntegreerd in een hydrogel, dat wordt vervaardigd van gekoppelde polymeren met een hoog watergehalte. Het netwerk van polymeren is geschikt voor het transport van zowel licht, CO2, water als voedingsstoffen. Ook zorgt het dat de cellen gelijkmatig verspreiden binnen de gel.
Geoptimaliseerde geometrie
Om ervoor te zorgen dat de cyanobacteriën zo lang mogelijk leven en efficiënt blijven, hebben de onderzoekers de geometrie van de structuren geoptimaliseerd. Zij maakten hierbij gebruik van 3D-printprocessen. Dit vergroot het oppervlak, verhoogt de lichtpenetratie en bevordert de doorstroming van voedingsstoffen.
De onderzoekers zien hun levende materiaal als een laag-energetische en milieuvriendelijke aanpak die CO2 uit de atmosfeer kan binden en bestaande chemische processen voor koolstofvastlegging kan aanvullen. “In de toekomst willen we onderzoeken hoe het materiaal kan worden gebruikt als een coating voor gebouwgevels om CO2 gedurende de hele levenscyclus van een gebouw te binden,” stelt Tibbitt.
