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Wie Pilze unsere bröckelnde Infrastruktur reparieren könnten
Die USA haben eine der fortschrittlichsten Volkswirtschaften der Welt. Und doch bröckelt die konkrete Infrastruktur, die sie trägt – die Straßen, Brücken, Bürgersteige und so weiter – langsam. Diese Verschlechterung erfordert komplexe Reparaturen, verursacht lange Verzögerungen und kann in den schlimmsten Fällen zu strukturellem Versagen führen.
Es ist auch ein zunehmend teures Problem. Kleine Risse, die nicht repariert werden, entwickeln sich zu größeren, die metallische Verstärkungsstrukturen freilegen, und wenn diese beschädigt sind, können Reparaturen kostspielig und komplex sein. Laut der American Society of Civil Engineers wird dieses Problem die US-Wirtschaft bis 2025 fast 4 Billionen Dollar an entgangenen Geschäften kosten, wenn es nicht angegangen wird.
Es besteht eindeutig ein dringender Bedarf an einer besseren und billigeren Methode zur Reparatur von Beton.
Ning Zhang von der Rutgers University in New Jersey, Congrui Jin von der Binghamton University und ein paar Freunde sagen, sie hätten eine geheime Zutat entdeckt, die eines Tages die Nation in Bewegung halten könnte, indem sie bröckelnden Beton automatisch repariert. Diese neue Zutat? Pilze.
Zuerst etwas Hintergrund. Materialwissenschaftler haben lange gehofft, eine geheime Sauce zu finden, die Beton hilft, sich selbst zu reparieren. Eine Idee ist, Beton mit Polymerfasern zu füllen, die Harz enthalten, das austritt, um Risse zu füllen.
Das sah eine Zeit lang vielversprechend aus, aber es stellte sich heraus, dass Beton und Harz unter anderem unterschiedliche Wärmeausdehnungseigenschaften haben, was Risse manchmal verschlimmern kann.
Ein besserer Füllstoff für Risse ist Calciumcarbonat, da es sich gut mit Beton verbindet und ähnliche strukturelle Eigenschaften hat. Verschiedene Bakterien produzieren solche Mineralien, setzen aber auch andere Nebenprodukte frei, darunter reichlich Stickstoffprodukte wie Ammoniak. Und das kann Straßen und Umwelt schaden.
Materialwissenschaftler brauchen also eine andere Option, und heute sagen Zhang und Co, dass sie sie in Form eines Pilzes namens gefunden haben Trichoderma reesei. Es kann unter einer Vielzahl von Bedingungen keimen und einen faserigen Pilz bilden, der die Bildung von Calciumcarbonat fördert.
Ihre Idee ist, dass Pilzsporen dem Beton beim Mischen zugesetzt werden und dann so lange ruhen, bis der Beton reißt. Wasser, das in die Risse fließt, lässt die Sporen keimen und füllt die Risse mit Pilzfasern, die die Bildung von Kalziumkarbonat auslösen, das schließlich die Lücke füllt.
Das ist die Theorie, aber die entscheidende Frage ist, ob es in der Praxis funktionieren würde. Also machten sich Zhang und Co daran, es herauszufinden.
Das Team goss Beton in Petrischalen und ließ ihn aushärten. Dann gossen sie ein Wachstumsmedium auf jede Platte und fügten verschiedene Arten von Pilzen hinzu. Sie warteten ab, welcher der Pilze unter den stark alkalischen Bedingungen wachsen würde, die Beton fördert.
Die Ergebnisse waren aufschlussreich. Von allen getesteten Pilzen nur Trichoderma reesei blühte, selbst wenn der pH-Wert auf 13 anstieg. Zhang und Co. untersuchten dann seine faserige Struktur unter einem Mikroskop und verwendeten Röntgenbeugung, um die zurückgelassenen Ablagerungen zu analysieren. Die Daten deuteten stark darauf hin T. reesei Hyphen können die Ausfällung von Kalziumkarbonat fördern, heißt es.
Elektronenmikroskopische Aufnahmen zeigen deutlich die mineralisierten Strukturen, die die Fasern hinterlassen.
Natürlich beweist das alles nichts Trichoderma reesei Sporen können überleben, wenn sie Beton beim Mischen zugesetzt werden. Tatsächlich scheint das auf den ersten Blick unwahrscheinlich. Die Sporen müssten in Poren innerhalb des Betons sitzen.
Zhang und Co. maßen die Poren in dem von ihnen hergestellten Beton und stellten fest, dass sie einen durchschnittlichen Durchmesser von etwa einem Mikrometer hatten. Aber Trichoderma reesei Sporen sind größer – etwa vier Mikrometer im Durchmesser. Das deutet darauf hin, dass sie zerkleinert werden, wenn der Beton abbindet.
Zhang und Co. sagen, dass das Problem gelöst werden könnte, indem man der Mischung Luftblasen hinzufügt, aber das muss weiter untersucht werden.
Das ist eine interessante Arbeit mit einem erheblichen Vorteil. Wenn Trichoderma reesei sich als Zauberpilz erweisen, der die zerfallende Infrastruktur der USA reparieren kann, wird es ein großer Segen sein. Und es ist auch umweltfreundlich – der Pilz ist für den Menschen harmlos, und der Prozess der Bildung von Kalziumkarbonat bindet Kohlenstoff aus der Atmosphäre. So wird Kohlendioxid, ein wichtiges Treibhausgas, entfernt.
Natürlich liegt noch viel Arbeit vor uns, um festzustellen, ob die Sporen im Beton überleben werden. Aber die ersten Ergebnisse geben Anlass, dies genauer zu untersuchen.
Ref: arxiv.org/abs/1708.01337 : Screening von Pilzen zur Selbstheilung von Betonrissen