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Europäischer Erfinderpreis

Hendrik Marius Jonkers (Niederlande)

Finalist des Europäischen Erfinderpreises 2015

Hendrik Marius Jonkers

Video:

Kategorie: Forschung

Sektor: Bauingenieurwesen

Universität: Technische Universität Delft

Patentnummer: EP2247551

Erfindung: Bakterienhaltiger selbstheilender Beton

So solide und beständig Betonkonstruktionen auch scheinen mögen – ihnen droht eine gemeinsame Gefahr, nämlich Spannung. Mit der Zeit wird Beton brüchig. Dank einer Erfindung des Mikrobiologen Hendrik Jonkers von der TU Delft besteht nun die innovative Möglichkeit, durch Zugabe kalkproduzierender Bakterien eine stabilere Betonmischung zu erhalten. Dieser selbstheilende Biobeton bietet eine günstige und nachhaltige Lösung zur Erhöhung der Lebensdauer von Gebäuden, Brücken und Straßen.

Auf der Suche nach einem festeren und langlebigeren Beton wandte sich Hendrik Jonkers nicht etwa den Stahl- und Steintechniken zu, die bereits von zahlreichen Ingenieuren weiterentwickelt wurden, sondern einer eher ungewöhnlichen Inspirationsquelle: dem menschlichen Körper.

Jonkers betrachtete dabei insbesondere die Art und Weise, wie Knochenbrüche mithilfe von Osteoblasten durch Mineralisierung selbst wieder heilen, und machte sich daran, für das am häufigsten verwendete Baumaterial eine ähnliche "Selbstheilungstechnik" zu entwickeln.

Dabei stieß er auf ein kalkproduzierendes Bakterium, das Risse in Beton kitten kann. Diese widerstandsfähige, natürlich vorkommende Bakterienspezies - entweder Bacillus pseudofirmus oder Sporosarcina pasteurii - ist in stark alkalischen Seen in der Nähe von Vulkanen zu finden und schien optimal geeignet zu sein. Die Bakterien können bis zu 200 Jahre lang in einer Art "Dämmerzustand" im Beton überleben und werden erst aktiv, wenn Wasser durch Risse im Beton eindringt. Dadurch werden sie zur Kalkproduktion angeregt und beginnen damit, die entstandenen Risse aufzufüllen.

Gesellschaftlicher Nutzen

Diese patentierte Technologie bietet eine Fülle von Möglichkeiten. 70 % der Infrastruktur in Europa ist aus Beton gebaut, die Instandhaltung ist dementsprechend kostspielig. HealCON, ein im 7. EU-Forschungsrahmenprogramm gefördertes Projekt, schätzt die jährlichen Instandhaltungskosten für Brücken, Tunnel und Stützmauern in den EU-Mitgliedstaaten auf bis zu 6 Mrd. EUR.

Die hohe Beanspruchung bei Belastung und die hohen Kosten sind jedoch nicht die einzigen Probleme mit Beton. Zwischen 7 und 12 % der weltweiten jährlichen CO2-Emissionen entstehen bei der Produktion dieses Baumaterials.

Wirtschaftlicher Nutzen

Der von Jonkers entwickelte selbstheilende Biobeton soll 2015 auf den Markt kommen. Das größte Hindernis ist der Materialpreis, der von der Herstellungsmethode abhängt. Bei der gegenwärtig verwendeten Methode sind die Produktionskosten noch immer doppelt so hoch wie die Kosten für die Herstellung von herkömmlichem Beton (80 EUR/m3).

Ein Großteil der Kosten entfällt auf das teure Kalziumlaktat, das dem Beton als Nährstoff für die Bakterien beigesetzt wird. Jonkers und sein Team sind jedoch auf dem besten Wege, einen neuen Nährstoff auf Zuckerbasis zu entwickeln, mit dem sich die Kosten an die Produktionskosten für herkömmlichen Beton annähern lassen (zwischen 85 und 100 EUR/m³). Auf diese Weise könnte eine rentable und nachhaltige Selbstheilungsmethode erreicht werden.

Wenn Jonkers und sein Team diese Kostenhürde nehmen können, wird selbstheilender Beton mit Sicherheit zum Baustoff der Zukunft werden, in dem Bakterien bis zu 200 Jahre lang als "schlummernde" Wächter nur darauf warten, Brücken, Straßen, Tunnel und andere Betonkonstruktionen zu schützen und bei Bedarf zu reparieren.

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Funktionsweise

Dem Beton werden bei der Herstellung speziell ausgewählte Bakterienstämme sowie Stickstoff, Phosphor und Kalziumlaktat, ein Nährstoff auf Kalziumbasis, beigemischt. Diese Bestandteile können in Beton bis zu zwei Jahrhunderte lang überleben.

Tritt in der Betonkonstruktion nun ein Riss auf, durch den Wasser und Luft in das Material eindringen, erwachen diese Bakterien und fressen das dem Beton beigemischte Kalziumlaktat. Dabei verbrauchen sie den vorhandenen Sauerstoff und wandeln das lösliche Kalziumlaktat in festen Kalk um. Dieser Kalk lagert sich in den Rissen ein und repariert die entstandenen Schäden.

Mittels dieser Technologie können Risse von beliebiger Länge gekittet werden, solange sie nicht breiter als 0,8 Millimeter sind.

Der Erfinder

2006 nahm der Mikrobiologe Hendrik Marius Jonkers, der sich auf das Verhalten von Bakterien spezialisiert hat, seine Tätigkeit an der Technischen Universität Delft auf. Seine Forschungen zu Biobeton sind Teil eines größeren Projekts, in dem die möglichen Selbstheilungskräfte verschiedener Materialien wie Kunststoff, Polymere und Asphalt untersucht werden.

Vor seiner Tätigkeit an der TU Delft arbeitete Jonkers als Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie in Deutschland, am Institut für Paläontologie der Reichsuniversität Groningen und für die Niederländische Organisation für Angewandte Naturwissenschaftliche Forschung.

Wussten Sie das?

Seit der französische Gärtner und Erfinder Joseph Monier 1867 ein Patent auf Stahlbeton erhalten hat, setzten zahllose Erfindungen auf Stahl, um die Belastbarkeit von Beton zu erhöhen. Dazu zählt auch die Methode von Ann Lambrechts, dem Beton Stahlfasern beizumischen, für die Lambrechts 2011 mit dem Europäischen Erfinderpreis ausgezeichnet wurde.

Das Wissen über die Herstellung von Beton war jahrhundertelang verloren gegangen. Obwohl bereits die Griechen, die Römer und andere frühere Hochkulturen Beton als Baumaterial nutzten, geriet die Methode, Kalk und verschiedene andere Zusatzstoffe zu vermischen, um die Belastbarkeit des Materials zu erhöhen, im Mittelalter wieder in Vergessenheit.