Forscher der University of Pennsylvania haben einen neuartigen, 3D-druckbaren Beton entwickelt, der das Potenzial hat, die Baubranche nachhaltiger zu gestalten. Dieses innovative Material integriert Kieselgur (Diatomeenerde) und sogenannte TPMS-Strukturen (Triply Periodic Minimal Surfaces). Es zeichnet sich durch verbesserte strukturelle Leistungsfähigkeit und eine signifikant erhöhte Fähigkeit zur Aufnahme von Kohlendioxid (CO₂) aus, was es zu einer vielversprechenden Alternative zu herkömmlichem Beton macht, der für einen erheblichen Anteil der globalen Treibhausgasemissionen verantwortlich ist.
Die Kerninnovation liegt in der Verwendung von Kieselgur, einem biogenen Material, das aus den fossilen Überresten mikroskopisch kleiner Algen gewonnen wird. Diese poröse Substanz verbessert nicht nur die Stabilität des Betons während des 3D-Druckprozesses, sondern bietet auch zahlreiche Ankerpunkte für die CO₂-Bindung. Laut Forschungsergebnissen kann dieser neue Beton bis zu 142 % mehr CO₂ aufnehmen als Standardmischungen, während gleichzeitig der Zementanteil reduziert wird. Der Bausektor ist für etwa 9 % der weltweiten CO₂-Emissionen verantwortlich, was diesen Fortschritt zu einem entscheidenden Schritt zur Minderung der Umweltauswirkungen macht.
Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Integration von TPMS-Strukturen. Diese komplexen, von der Natur inspirierten Geometrien maximieren die innere Oberfläche und die Steifigkeit des Materials, während sie gleichzeitig den Materialverbrauch minimieren. Tests haben gezeigt, dass die mit TPMS-Strukturen gedruckten Betonkomponenten bis zu 68 % weniger Material benötigten als herkömmliche Betonblöcke, und das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen konnte um über 500 % gesteigert werden. Ein TPMS-Würfel behielt 90 % der Druckfestigkeit der massiven Version bei und erzielte eine um 32 % höhere CO₂-Aufnahme pro Zementeinheit.
Die Forscher der University of Pennsylvania, darunter Professor Masoud Akbarzadeh vom Weitzman School of Design und Professor Shu Yang von der Ingenieurwissenschaftlichen Fakultät, arbeiten nun daran, diese Technologie für großformatige Bauelemente wie Böden, Fassaden und tragende Platten zu skalieren. Die vielseitigen Eigenschaften des Betons eröffnen auch spannende Anwendungsfelder im Bereich der Meeresinfrastruktur, wie beispielsweise künstliche Riffe, da die hohe innere Oberfläche das Anhaften und Wachstum mariner Organismen begünstigt und das Material passiv CO₂ aus dem Wasser aufnimmt.