Sechs Monate lang arbeitete ein Roboter auf der Architekturbiennale in Venedig an einer ungewöhnlichen Struktur. Immer wieder brachte er Sand, Bakterien und eine Mineralisierungslösung auf. Rund 4 cm pro Monat wuchs der mineralisierte Aufbau, an manchen Stellen erreichte er schließlich 24 cm Höhe. Zement brauchte der Roboter dafür nicht.
Hinter dem Versuch steckt eine Forschungsgruppe der ETH Zürich um die Architektin Karen Antorveza Paez. Sie nutzt Bakterien, die zwischen Sandkörnern Calciumcarbonat bilden – also den Hauptbestandteil von Kalkstein. Neu ist dieser biologische Prozess nicht. Neu ist der Versuch, ihn mit 3D-Druck und Robotik so zu steuern, dass daraus gezielt geformte Bauteile und Oberflächen entstehen.
„Wir nutzen Bakterien, um eine Art mineralischen Klebstoff herzustellen“, erklärt Antorveza Paez in einer Mitteilung der ETH Zürich vom 14. Oktober 2026. Die Forschenden haben inzwischen drei Studien zu verschiedenen Aspekten des Verfahrens veröffentlicht.
Inhaltsverzeichnis
- Bakterien verbinden Sandkörner mit Kalk
- Eine Bio-Tinte für den 3D-Druck
- Die Form muss zu den Bakterien passen
- Der Roboter sprüht Sand und Bakterien direkt auf
- Sechs Monate Betrieb in Venedig
- Kein Ersatz für tragenden Beton
- Wie nachhaltig das Verfahren ist, bleibt offen
- Nicht jeder lebende Baustoff funktioniert gleich
Bakterien verbinden Sandkörner mit Kalk
Das Grundprinzip nennt sich Microbially Induced Calcium Carbonate Precipitation, kurz MICP. Dabei kommt unter anderem das Bakterium Sporosarcina pasteurii zum Einsatz. Es bildet das Enzym Urease und kann damit Harnstoff spalten. In Anwesenheit von Calcium entstehen schließlich Calciumcarbonat-Kristalle.
Diese Kristalle lagern sich zwischen den Sandkörnern ab und verbinden sie miteinander. Der vermeintliche „Klebstoff“ ist also kein Kleber im klassischen Sinn, sondern ein Netzwerk aus neu gebildeten Mineralkristallen.
MICP wird schon länger erforscht, beispielsweise zur Bodenverfestigung oder für selbstheilenden Beton. Auch auf ingenieur.de wurde bereits über einen verwandten Ansatz berichtet: Forschende der Universität Stuttgart nutzen für ihren Biobeton aus Urin ebenfalls bakterielle Mineralisierung, um Sand zu verfestigen.
Die ETH-Forschung setzt an einem anderen Punkt an. Antorveza Paez will den biologischen Prozess mit digitalen Fertigungsverfahren verbinden. „Was bisher fehlte, waren Fertigungsverfahren, mit denen sich diese biologischen Prozesse nach Bedarf steuern und zur Herstellung architektonischer Elemente nutzen lassen“, sagt sie in der ETH-Mitteilung.
Eine Bio-Tinte für den 3D-Druck
Dafür verfolgt das Team zwei Wege. Beim ersten Verfahren druckt ein Roboter das spätere Bauteil ähnlich wie beim herkömmlichen 3D-Druck Schicht für Schicht.
Die dafür entwickelte Bio-Tinte enthält Sand, lebende Bakterien und ein wasserhaltiges Gel. Alginate und Xanthan sorgen dafür, dass sich die Masse durch eine Düse fördern lässt und danach ihre Form behält.
Nach dem Druck kommt das Bauteil in ein Bad mit Harnstoff und Calciumchlorid. Nun setzt die Mineralisierung ein: Die Bakterien stoßen die Bildung von Calciumcarbonat an, das die Sandkörner miteinander verbindet. Je nach gewünschter Verfestigung dauert dieser Vorgang zwei bis fünf Tage. Danach trocknet das Bauteil, die Bakterien sind anschließend nicht mehr aktiv.
Mit diesem Verfahren fertigte das Team unter anderem ein Fassadenelement. Antorveza Paez vergleicht das Prinzip in der ETH-Mitteilung mit dem Backen: „Es ist ein bisschen wie beim Kuchenbacken. Man hat den Teig, der noch sehr formbar und zart ist. Nur der Ofen kann ihn in etwas Festes verwandeln.“ Der Unterschied: Einen heißen Ofen braucht das Verfahren nicht. Die Mineralisierung läuft unter Umgebungsbedingungen ab.
Die Form muss zu den Bakterien passen
Ein interessantes Problem zeigte sich beim Schritt von kleinen Proben zu größeren Bauteilen: Nicht jede Geometrie eignet sich gleichermaßen für das Verfahren.
Die Mineralisierungslösung muss das gedruckte Material erreichen können. Gleichzeitig muss die Struktur stabil genug sein, damit sie beim Drucken nicht zusammensackt. Porosität, Oberfläche, Verbindungen zwischen den einzelnen Drucklagen und mögliche Überhänge hängen deshalb direkt miteinander zusammen.
Die Forschenden entwickelten dafür einen digitalen Entwurfsprozess. Verschiedene poröse Geometrien wurden so verändert, dass sie sich drucken lassen und zugleich für die anschließende Biomineralisierung zugänglich bleiben.
Das Ergebnis war unter anderem ein 1 m² großer Demonstrator für eine modulare Trennwand. Damit gelang der Schritt von kleineren Materialproben zu einer Struktur in einer für architektonische Anwendungen relevanten Größenordnung.
Gerade darin liegt ein wichtiger Unterschied zu vielen bisherigen Versuchen mit lebenden oder biologisch erzeugten Baustoffen: Nicht nur die Materialrezeptur, sondern bereits die Geometrie des Bauteils wird auf den biologischen Herstellungsprozess abgestimmt.
Der Roboter sprüht Sand und Bakterien direkt auf
Beim zweiten Verfahren fällt das Tauchbad weg. Statt ein fertiges Objekt nachträglich zu mineralisieren, bringt ein sechsachsiger Roboter die benötigten Materialien direkt dort auf, wo die Struktur entstehen soll.
Das von den Forschenden entwickelte Robotic Biocementation Spraying, kurz RBS, arbeitet mit drei Materialströmen: einer Bakteriensuspension, der Mineralisierungslösung und Sand.
Der Roboter trägt sie in festgelegten Abläufen nacheinander auf. Anschließend verfestigt die bakterielle Mineralisierung die neu entstandene Schicht. Danach beginnt der nächste Zyklus.
Als Vorbild dienten den Forschenden Stromatolithen. Solche geschichteten Gesteinsstrukturen entstehen in der Natur unter Beteiligung von Mikroorganismen über lange Zeiträume. Beim ETH-System übernimmt ein Roboter die wiederkehrenden Abläufe aus Materialablagerung und Mineralbildung.
Sechs Monate Betrieb in Venedig
Wie stabil ein solches System über längere Zeit arbeitet, testete das Team 2025 bei der Architekturbiennale in Venedig.
Der Demonstrator war 1,2 m lang und 0,5 m breit. Der Roboter arbeitete ungefähr sechs Stunden täglich an sechs Tagen pro Woche. Über sechs Monate wuchs der mineralisierte Aufbau um durchschnittlich rund 4 cm pro Monat. An den höchsten Stellen erreichte er 24 cm.
Die langsame Herstellung war zum Teil beabsichtigt: Besucher sollten beobachten können, wie sich die Struktur während der Ausstellung verändert. Nach Angaben der Forschenden könnte eine vergleichbare Geometrie mit beschleunigten Prozessparametern innerhalb von etwa zwei Wochen entstehen.
Während des Langzeitversuchs blieb der Aufbau laut Studie ohne sichtbare Risse oder Kollaps stabil. Auch die Roboteranlage arbeitete über den gesamten Zeitraum ohne Austausch von Komponenten. Das sagt allerdings noch wenig über die Dauerhaftigkeit eines späteren Bauprodukts aus. Die mechanischen Eigenschaften der so erzeugten Strukturen müssen weiter untersucht werden.
„Wir haben gezeigt, dass der gesamte Prozess der Biozementierung automatisiert werden kann“, sagt Antorveza Paez in der ETH-Mitteilung.
Kein Ersatz für tragenden Beton
Bis Bakterien tragende Wände oder andere konstruktive Bauteile herstellen, ist es noch ein weiter Weg. Antorveza Paez vergleicht den Entwicklungsstand des Materials derzeit eher mit Mörtel als mit Beton.
Beim robotischen Spritzverfahren fehlen beispielsweise noch umfassende Daten zu Haftfestigkeit, Durchlässigkeit und Dauerhaftigkeit unter Witterungseinflüssen. Die Forschenden weisen außerdem darauf hin, dass die genaue Geometrie bei komplexen Oberflächen bislang nicht vollständig vorhergesagt werden kann. Wie sich Sand verteilt und wie viel Material sich an einer Stelle ansammelt, hängt von mehreren miteinander gekoppelten Prozessparametern ab.
Für tragende Bauteile wären darüber hinaus reproduzierbare mechanische Kennwerte und belastbare Erkenntnisse zum Langzeitverhalten erforderlich.
„Die große Frage ist nicht mehr, ob Biozement funktioniert, sondern vielmehr, wie gut sich seine Eigenschaften steuern lassen“, fasst Antorveza Paez den Stand der Forschung in der ETH-Mitteilung zusammen.
Wie nachhaltig das Verfahren ist, bleibt offen
Auch bei der Umweltbilanz gibt es noch eine offene Baustelle. Zwar läuft die bakterielle Mineralisierung unter Umgebungsbedingungen ab. Damit entfällt ein Hochtemperaturprozess wie beim Brennen von Zementklinker.
Das allein macht Biocement jedoch noch nicht automatisch zu einem klimafreundlicheren Baustoff. Eine vollständige Lebenszyklusanalyse des Roboterverfahrens steht noch aus. Die Forschenden nennen sie ausdrücklich als eine der nächsten Aufgaben.
Hinzu kommt ein chemisches Problem: Beim Abbau des Harnstoffs entsteht Ammonium. Gelangt es in größeren Mengen in die Umwelt, kann es problematisch sein.
Antorveza Paez warnt deshalb selbst in der ETH-Mitteilung: „Wenn wir die Entsorgung dieses chemischen Nebenprodukts nicht in unsere Entwürfe einbeziehen, dann ist der Einsatz von Biozement im Bauwesen leider keine besonders nachhaltige Praxis.“
Eine weitere Studie soll deshalb untersuchen, welche Umweltwirkungen die Biocementation verursacht und wie sich das Nebenproduktproblem lösen lässt.
Nicht jeder lebende Baustoff funktioniert gleich
Die ETH Zürich arbeitet parallel an anderen biologischen Baustoffen. Ein bereits auf ingenieur.de vorgestellter Ansatz nutzt beispielsweise Cyanobakterien in einem 3D-gedruckten Hydrogel. Dort bleiben die Mikroorganismen aktiv und binden mithilfe der Photosynthese Kohlendioxid.
Beim Biocement von Antorveza Paez übernehmen die Bakterien eine andere Aufgabe. Sie dienen während der Herstellung als biologische Mineralfabrik. Nach der Mineralisierung und dem Trocknen sind sie laut ETH nicht mehr aktiv.
Damit liegt der Fortschritt weniger in einem neuen Bakterium oder einer bislang unbekannten chemischen Reaktion. Interessant ist die Fertigungstechnik: Die Forschenden zeigen, wie sich bakterielle Mineralisierung mit digital entworfenen Geometrien, 3D-Druck und einem Roboter koppeln lässt.
Quellen:
- ETH Zürich: When bacteria become masons, 14. Oktober 2026 – aktuelle ETH-Mitteilung und Originalzitate.
- npj Materials Sustainability: 3D biocement printing – scaling up living mineral structures – 3D-Druck, Bio-Tinte und Materialentwicklung.
- Architectural Intelligence: Robotic biocementation spraying – Roboterverfahren, Biennale-Demonstrator, 4 cm/Monat und Forschungsgrenzen.
- Biotechnology Design: Design workflow for porous 3D-printed biocement geometries – digitale Geometrieoptimierung und 1-m²-Trennwand-Demonstrator.
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