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Chip ermöglicht Untersuchung von Biozementbildung in Echtzeit
Der Chip hat die Grösse einer Kreditkarte und auf seiner Oberfläche ist ein Strömungskanal eingraviert, der von Ende zu Ende einen Meter lang und so dick wie ein menschliches Haar ist. Die Forschenden können eine Lösung in ein Ende des Kanals injizieren und mit Hilfe der Zeitraffermikroskopie das Verhalten der Lösung über mehrere Stunden hinweg beobachten. Medizinische Wissenschaftlerinnen haben ähnliche Chips für Anwendungen im Gesundheitswesen eingesetzt, um beispielsweise zu untersuchen, wie Arterien verstopfen oder wie sich ein Medikament in der Blutbahn ausbreitet, während Umweltingenieurfachleute sie zur Untersuchung von Biofilmen und Schadstoffen im Trinkwasser einsetzten.
Der mikrofluide Chip wurde bisher in der medizinischen und umweltwissenschaftlichen Forschung eingesetzt. © Alain Herzog / 2022 EPFL
Nun hat ein Team von Bauingenieuren des Labors für Bodenmechanik (LMS) der EPFL zusammen mit Forschenden der Fakultät für Geowissenschaften und Umwelt der Universität Lausanne (UNIL) den Chip neu eingesetzt, um die komplexen Transport-Reaktions-Phänomene bei der Bildung neuer Arten von Biozement zu verstehen. Ariadni Elmaloglou, Doktorandin, und Dimitrios Terzis, einer ihrer Doktorväter vom Labor für Bodenmechanik (LMS) der EPFL, haben Biozementlösungen in mikrofluidische Chips injiziert, die verschiedenen Sandarten ähneln, um zu sehen, wie sich die Mineralien bilden und wie die Strömung reagiert. Abgesehen von den Sandtypen blieben die anderen Hauptbestandteile des Biozements – Kalzium und Harnstoff – gleich. «Dank des Chips konnten wir Variationen in der Massenverteilung des Biozements in den verschiedenen Mischungen beobachten», sagt Elmaloglou, «wir konnten zum Beispiel sehen, wo sich Mineralien gebildet haben und welche Mischungen zu besseren mechanischen Eigenschaften über den langen Fliessweg führen können. Aufgrund seines miniaturisierten Volumens ermöglicht es uns der Chip, mehrere Experimente mit verschiedenen Mischungen durchzuführen, um effiziente Biozementierungsprotokolle zu entwickeln.»
Metergenaue Prüfung
Die Ergebnisse der Ingenieurfachleute wurden soeben in Scientific Reports, einer Zeitschrift des Portfolios Nature, veröffentlicht. Es handelt sich um die erste Studie, in der die Bildung von Biozement auf einer Länge von einem Meter in Echtzeit untersucht wurde, was für viele potenzielle Anwendungen wie Rissreparatur, Kohlenstoffspeicherung und Bodensanierung von Bedeutung ist (siehe Kasten). Alle Daten wurden im Open-Source-Format zur Verfügung gestellt, um die weitere Forschung zu diesem Thema zu fördern.
Inzwischen haben die LMS-Ingenieurfachleute bereits den nächsten Schritt ihrer Studie in Angriff genommen: «Der Chip macht es uns leicht, Biozemente zu testen, die mit Zuschlagstoffen aus recycelten Materialien – wie Glas, Kunststoff oder zerkleinertem Beton – statt mit Sand hergestellt werden», sagt Terzis. Diese Biozemente könnten dazu beitragen, den CO2-Fußabdruck der Bauindustrie zu verringern oder sogar die Branche insgesamt zu revolutionieren: «Die Industrie verlässt sich immer noch stark auf Beton, obwohl die für seine Herstellung verwendeten Zutaten – insbesondere Sand – immer schwieriger zu beschaffen sind. Unsere Studie zeigt, dass ein interdisziplinärer Ansatz viel dazu beitragen kann, dies zu ändern. Aber wir müssen offen sein für Methoden aus anderen Forschungsbereichen.»
Erfindung neuer Arten von Biozement an der EPFL
Im Rahmen seiner Doktorarbeit an der LMS entwickelte Dimitrios Terzis eine neue Art von Biozement, der mit Bakterien und Harnstoff hergestellt wird. Bei diesem Verfahren werden anstelle von Zementklinkern Kalziumkarbonatkristalle (CaCO3) verwendet, um Bodenpartikel miteinander zu verbinden. Das Ergebnis ist ein Material auf biologischer Basis, das einfach zu verwenden, widerstandsfähig und im Vergleich zu bestehenden Bindemitteln wie Zement, Kalk und Industrieharzen relativ kostengünstig ist. Insbesondere Harze können langfristig relativ instabil werden, den Boden mit Mikroplastik oder toxischen Verbindungen verunreinigen und den Alkaligehalt des Grundwassers über die zulässigen Grenzen hinaus erhöhen.
Der von der EPFL entwickelte Biozement kann vor Ort kostengünstig und bei Raumtemperatur hergestellt werden, wobei nur ein geringer Stromverbrauch erforderlich ist. Die Betreiber können den Grad der Biozementierung an ihre spezifischen Bedürfnisse anpassen. Wird nur eine geringe Menge CaCO3 hinzugefügt, erhält man ein sandsteinähnliches Ergebnis, das widerstandsfähig genug ist, um erdbebenbedingten Scherspannungen zu widerstehen, die zu Bodenverflüssigung führen können. Andere Anwendungen können helfen, Probleme bei der Hangstabilisierung zu lösen oder bestehende Fundamente zu sanieren. Fügt man weitere CaCO3-Biomineralien hinzu, erhält man ein Gemisch, das als Baumaterial oder zur Abdichtung von Böden verwendet werden kann.
Um ihre Technologie auf den Markt zu bringen, gründeten Terzis und Prof. Lyesse Laloui 2018 MeduSoil, ein EPFL-Startup. Das Unternehmen hat bereits Feldversuche in der Schweiz und im Ausland durchgeführt.