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Nach den kürzlich von der UNO veröffentlichten Zahlen haben Naturkatastrophen seit 2000 mehr als 1,2 Millionen Menschen getötet und fast 3 Milliarden Dollar gekostet. Diese wachsenden Bedrohungen rücken die Notwendigkeit neuer Antworten auf das Problem der Bodenstabilisierung in den Blickpunkt. Forschende des Labors für Bodenmechanik (LMS) der EPFL haben eine Reihe nachhaltiger Lösungen entwickelt, darunter eine, die den Enzymstoffwechsel nutzt. Obwohl diese Methoden für eine Vielzahl von Bodentypen funktionieren, sind sie bei Tonböden wesentlich weniger wirksam. In einer gestern in Scientific Reports veröffentlichten Arbeit zeigt das Team auf, wie chemische Reaktionen durch die Verwendung eines batterieähnlichen Systems zur Anwendung von elektrischem Strom verbessert werden können.
Eine neue Art von Biozement – in situ und bei Umgebungstemperatur hergestellt – wurde kürzlich als vielversprechende Methode zur Stabilisierung verschiedener Bodentypen vorgestellt. Die Methode macht sich den bakteriellen Stoffwechsel zunutze, um Kalzitkristalle herzustellen, die Bodenpartikel dauerhaft miteinander verbinden. Dieses biogeochemische Verfahren ist energieeffizient und kostengünstig und könnte in den kommenden Jahren rasch eingeführt werden. Da der Boden jedoch imprägniert werden muss, damit die Methode funktioniert, ist sie für Lehmböden mit geringer Durchlässigkeit weniger geeignet. Nun hat das LMS-Team eine praktikable Alternative entwickelt und erfolgreich getestet, bei der elektrischer Strom über versenkte Elektroden angelegt wird. «Unsere Ergebnisse zeigen, dass dieses geoelektrochemische System tatsächlich Schlüsselphasen des Kalzifizierungsprozesses beeinflusst, insbesondere die Bildung und das Wachstum der Kristalle, die den Boden zusammenbinden und sein Verhalten verbessern», sagt Dimitrios Terzis, ein Wissenschaftler des LMS und einer der Koautoren der Arbeit.
Der Biozement wird durch das Einbringen chemischer Spezies in den Boden gebildet. Dazu gehören gelöste Karbonat- und Kalziumionen, die entgegengesetzte Ladungen tragen. Versunkene Anoden und Kathoden werden verwendet, um ein elektrisches Feld zu erzeugen, ähnlich wie bei einer riesigen Batterie. Der Strom zwingt die Ionen, sich durch das wenig durchlässige Medium zu bewegen, wo sie sich kreuzen, vermischen und schliesslich mit Bodenpartikeln interagieren. Das Ergebnis ist das Wachstum von Karbonatmineralien, die als Bindeglieder oder «Brücken» fungieren, welche die mechanische Leistung und Widerstandsfähigkeit des Bodens verbessern.
Zuschuss für Technologietransfer
Die Studie, in der die Erkenntnisse des Teams aus der Beobachtung und Messung der Qualität dieser Mineralbrücken dargelegt werden, ebnet den Weg für künftige Entwicklungen auf diesem Gebiet. Bevor die Technologie in der realen Welt angewendet werden kann, sind weitere Tests in verschiedenen Massstäben erforderlich. Die Forschung wurde im Rahmen eines Advanced Grant des European Research Council (ERC) 2018-2023 durchgeführt, der an Prof. Lyesse Laloui vergeben wurde, der das LMS leitet und Mitverfasser der Arbeit ist. Das Projekt hat drei Schwerpunkte, die auf das Verständnis der grundlegenden Mechanismen abzielen, die auf der Bodenpartikelskala (Mikroskala) auftreten, auf die fortgeschrittene Charakterisierung des mechanischen Verhaltens im Labormassstab und auf die Entwicklung und Demonstration innovativer Systeme in grossem Massstab in natürlichen Umgebungen. Im Juli 2020 erhielt dasselbe Forschungsteam einen zusätzlichen ERC Proof of Concept Grant, um den Technologietransfer in industriellen Anwendungen zu beschleunigen.
In der Vergangenheit wurden Böden ausschliesslich als eine Mischung aus fester Erde, Luft und Wasser behandelt. Nach Ansicht der Koautoren zeigt diese Forschung, wie interdisziplinäre Ansätze, d.h. die Nutzung von Konzepten aus der Biologie und Elektrochemie und die Einbeziehung von Fortschritten und Mechanismen aus anderen wissenschaftlichen Bereichen, aufregende neue Wege eröffnen und erhebliche Vorteile bringen können.