Béton biologique et matériaux de construction biogènes à base de cyanobactéries
Transition vers une construction respectueuse de l'environnement
Des chercheurs du Fraunhofer ont mis au point une méthode de création de matériaux de construction biogènes à base de cyanobactéries. Les bactéries se multiplient dans une solution nutritive, sous l'effet de la photosynthèse. L'ajout d'agrégats et de matériaux de remplissage tels que le sable, le basalte ou des matières premières renouvelables permet de produire des structures solides semblables à des roches. Contrairement à la production traditionnelle de béton, ce processus n'émet pas de dioxyde de carbone, qui est nocif pour l'environnement. Au contraire, le dioxyde de carbone est lié au matériau lui-même.
L'industrie de la construction est confrontée à un problème. Le ciment, principal composant du béton - sans doute le matériau de construction le plus utilisé à l'heure actuelle - est mauvais pour le climat. Les émissions deCO2 provenant de la production de ciment sont très élevées. Selon l'Agence allemande de l'environnement (UBA), en 2018, la production de ciment a représenté quelque 20 millions de tonnes métriques d'émissions deCO2 rien qu'en Allemagne. Cela équivaut à environ 10 % de l'ensemble des émissions industrielles.
Dans le cadre du projet "BioCarboBeton", des chercheurs de l'Institut Fraunhofer des technologies et systèmes céramiques (IKTS) et de l'Institut Fraunhofer des technologies des faisceaux d'électrons et des plasmas (FEP) introduisent désormais une méthode écologique et biologique de production de matériaux de construction biogènes. Non seulement le processus n'émet pas de carbone, mais au contraire, le gaz nuisible au climat est utilisé pour le processus et ensuite lié au matériau.
La pièce maîtresse de la nouvelle méthode est constituée par les cyanobactéries, anciennement connues sous le nom d'algues bleues. Ces cultures bactériennes sont capables de photosynthèse. L'interaction de la lumière, de l'humidité et de la température entraîne la formation de structures connues sous le nom de stromatolites, constituées de calcaire. Ces structures biogènes ressemblant à des roches existent dans la nature depuis 3,5 milliards d'années, ce qui témoigne de la résilience et de la durabilité de ce processus biologique. Comme à l'époque, leCO2 est capturé dans l'atmosphère dans le cadre du processus de minéralisation, puis fixé dans la roche biogène.
Les chercheurs du Fraunhofer ont réussi à imiter ce processus naturel à l'aide d'une méthode technologique. Sous la direction du Dr Matthias Ahlhelm, qui est également à l'origine de l'idée, le Fraunhofer IKTS développe des matériaux et des processus, sélectionne des charges potentielles ainsi que des agents de liaison, et fournit la forme et la structure.
Les chercheurs du Fraunhofer FEP, sous la direction du Dr Ulla König, mettent au point les méthodes de culture des cyanobactéries, l'analyse microbiologique complémentaire et l'augmentation de la production de biomasse à réaliser.
La solution bactérienne devient solide
Dans la première étape de la production de biomasse, les cyanobactéries sensibles à la lumière sont cultivées dans une solution nutritive. L'intensité et la couleur de la source lumineuse utilisée affectent la photosynthèse et le métabolisme des bactéries. Pour que la solution bactérienne puisse se minéraliser et produire des structures de type stromatolite, des sources de calcium telles que le chlorure de calcium sont ajoutées. Ensuite, les chercheurs créent un mélange d'hydrogels et de divers matériaux de remplissage, tels que différentes sortes de sable, notamment du sable marin ou du sable de silice. DuCO2 supplémentaire est ajouté pour augmenter la teneur en dioxyde de carbone dissous et soutenir le processus.
Le mélange bactérien est agité jusqu'à ce qu'il devienne homogène, puis structuré en étant transféré dans des moules, par exemple. Les moules doivent de préférence être translucides afin que les processus de métabolisme et de photosynthèse bactériens puissent se poursuivre. La minéralisation ultérieure conduit à la solidification finale. Le mélange bactérien peut également être mis en forme par pulvérisation, moussage, extrusion ou fabrication additive, ce qui lui donne la forme dans laquelle se déroulent les étapes finales de la minéralisation.
Il est également possible de produire des substrats poreux et de les traiter ensuite avec la culture de cyanobactéries : "La structure solide en cours de développement reste poreuse pendant le processus, de sorte que la lumière pénètre à l'intérieur et entraîne la fixation du dioxyde de carbone par la minéralisation du calcaire. Nous pouvons arrêter le processus en supprimant la lumière et l'humidité ou en modifiant la température", explique M. Ahlhelm. À ce moment-là, toutes les bactéries meurent. Il en résulte un produit solide à base de carbonate de calcium biogène et de charges qui peut potentiellement être utilisé comme brique, par exemple. Les matériaux de construction biosourcés fabriqués à partir de cyanobactéries ne contiennent aucune substance toxique.
L'un des objectifs du projet BioCarboBeton est de déterminer les propriétés matérielles et mécaniques possibles des matériaux biogènes à produire et d'étendre les processus. Les chercheurs réfléchissent déjà à la conception d'un processus circulaire. Par exemple, le dioxyde de carbone pourrait provenir de déchets industriels. L'équipe travaille actuellement sur le biogaz. Le basalte et les déchets miniers pourraient être utilisés comme sources de calcium, tout comme les résidus de lait provenant des exploitations laitières. Outre le sable, des débris de construction ou des ressources renouvelables peuvent également être utilisés comme charge.
Applications - de l'isolation au mortier
La sélection ciblée des charges et la gestion des paramètres de processus et de minéralisation permettent de fabriquer des produits pour un large éventail de scénarios d'application différents. Les applications potentielles comprennent les matériaux d'isolation, les briques, le remplissage de coffrages et même le mortier ou le stuc qui durcit après avoir été appliqué.
Maintenant que l'équipe de chercheurs a établi et testé le processus au Fraunhofer IKTS et au Fraunhofer FEP, elle travaille à l'augmentation des volumes et à la détermination des propriétés solides souhaitées. L'objectif est de permettre aux fabricants de produire des matériaux de construction écologiques d'origine biologique dans les volumes nécessaires, rapidement et de manière rentable.
Ahlhelm et König croient en ce processus : "Notre méthode montre l'énorme potentiel qui peut être libéré grâce à la technologie de la biologisation. Dans l'ensemble, notre projet BioCarboBeton est l'occasion de faire un grand pas vers une économie circulaire dans l'industrie de la construction et au-delà."
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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