Kann 3D‑gedruckter Beton die Umwelt retten?

Beton ist überall um uns herum. Von Häusern, Büros und Schulgebäuden bis hin zu Geschäften, Staudämmen, Brücken, Bürgersteigen und Straßen hilft Beton beim Bau von Strukturen, die wir täglich nutzen. 

Es ist keineswegs ein neues Material. Tatsächlich reicht die früheste Aufzeichnung von Betonbauten bis ins Jahr 6500 v. Chr. in Regionen Syriens und Jordaniens zurück. Dann natürlich die Römer, die Beton extensiv in ihrem Bauwesen einsetzten. Und nun, Jahrtausende später, stehen viele dieser Bauwerke noch immer hoch aufrecht.

Im Laufe der Jahre ist die Nutzung von Beton nur gewachsen, wobei der globale Betonmarkt im Jahr 2021 bei $687.2 Milliarden lag. Es wird weiter erwartet, dass er bis 2026 auf $821.6 Milliarden anwächst, was die Rolle von Beton in unserem Leben verdeutlicht. 

Dieses Wachstum wird angetrieben durch das Wachstum der Bauindustrie sowie die zunehmenden Investitionen in neue Bauprojekte weltweit. Wirtschaftswachstum und schnelle Urbanisierung tragen ebenfalls zur steigenden Nachfrage nach Wohn- und Gewerbekomplexen weltweit bei. Mit dem Wachstum der Städte steigt auch der Bedarf an Infrastruktur und damit der Bedarf an Beton.

Obwohl wir wissen, dass die Nachfrage nach Zement weiterhin besteht und das seit Jahrhunderten der Fall ist, warum ist er überhaupt so beliebt? Und ist das alles gut? Nun, finden wir es heraus!

Beton: Das gefährliche Bedürfnis der Welt

Bevor wir verstehen, was Beton so wertvoll macht, schauen wir uns an, was er genau ist. Es ist eine Mischung aus Zement (oder Kalk), Wasser und Zuschlagstoffen, die eine Reihe natürlicher oder künstlicher Partikel wie Sand, Kies oder zerkleinertem Gestein darstellen. 

Hier ist Zement, eine hergestellte Mischung aus Calcium, Eisen, Silizium und Aluminium sowie weiteren Bestandteilen, das Bindemittel, das dem Beton seine Härtungseigenschaften verleiht, während Wasser den Zement aktiviert, um ein dichtes Material zu bilden. 

Was dieses Verbundmaterial so wertvoll macht, sind seine Eigenschaften, einschließlich Formbarkeit – die Fähigkeit, frisch gemischten Beton fast jede Form annehmen zu lassen – und Haltbarkeit – das bedeutet, dass er viele Jahre halten kann. Dieses erschwingliche Material kann zudem angepasst werden, um unterschiedlichen Bauanforderungen gerecht zu werden.

Weitere attraktive Eigenschaften von Beton sind seine einfache Handhabung, Festigkeit und die Fähigkeit, nicht nur schwere Lasten und Druckbelastungen, sondern auch raue Wetterbedingungen und Naturkatastrophen wie Erdbeben und Hurrikane zu überstehen.

Zudem besitzt Beton die Fähigkeit, Wärme zu speichern, ist feuerbeständig und lässt sich bei Schäden leicht reparieren. All diese Eigenschaften machen Zement zu einem äußerst wertvollen Produkt, was zu einem sprunghaften Anstieg seiner Nutzung führt.

Was die Anwendungsfälle von Beton betrifft, hat er vielfältige Einsatzmöglichkeiten in der Bauindustrie. Beton ist tatsächlich nach Wasser das am häufigsten verwendete Baumaterial weltweit. Er wird zum Bau von Staudämmen, Brücken, Autobahnen, Flughäfen, Straßen, Kanälen, Reservoirs und Fahrbahnen verwendet, ebenso wie für Wohngebäude, Gewerbekomplexe und andere tragende Strukturen.

Einfach ausgedrückt ist Beton ein grundlegendes Material im Bauwesen und spielt eine entscheidende Rolle bei der Gestaltung der Infrastruktur um uns herum. 

Das bedeutet jedoch nicht, dass Beton nur Vorteile bietet. Tatsächlich ist er äußerst gefährlich. 

Zum Einstieg ist Zement verantwortlich für 1,6 Milliarden metrische Tonnen an Kohlendioxid (CO2), was etwa 8 % der globalen CO2-Emissionen ausmacht. Und die umfangreiche Abhängigkeit des Bausektors von Zement verschärft dessen enormen CO2-Fußabdruck.

Währenddessen ist die Herstellung von gewöhnlichem Portlandzement (OPC) für 5 % bis 8 % der globalen anthropogenen CO2-Emissionen verantwortlich. Hochgerechnet auf alle baubezogenen Aktivitäten zeigt die neueste Forschung ein alarmierendes Bild, mit fast 40 % der energiebedingten CO2-Emissionen, die aus diesem Sektor stammen, welcher 36 % der Endenergie der Welt verbraucht.

Dies ist äußerst besorgniserregend, weil CO2-Emissionen prognostiziert werden ein Rekordhoch von 37,41 GtCO2. CO2-Emissionen sind zudem die Hauptursache für die globale Erwärmung, und laut IPCC wird die globale Erwärmung bei der aktuellen Rate voraussichtlich zwischen 2030 und 2052 einen Anstieg von 1,5 °C über das vorindustrielle Niveau erreichen.

Angesichts der ökologischen Auswirkungen von Beton, wobei die jährliche Verbrauchsrate 30 Milliarden Tonnen beträgt und voraussichtlich stetig steigen wird, ist es wichtig, dass jeder, von Innovatoren über Organisationen bis hin zur Regierung, dieses Problem direkt angeht.

Baufortschritt durch 3D‑Druck 

Beton, wie oben erwähnt, ist ein notwendiges Übel, denn obwohl er einige große Vorteile bietet und für die Zivilisation entscheidend ist, ist er für den Planeten wirklich schädlich, der bereits mit Abholzung, Klimawandel, Verlust der Artenvielfalt und vielem mehr zu kämpfen hat. 

Fügt man Beton hinzu, wird die Situation nur noch schlimmer. Aber was, wenn es einen Weg gibt, die schädlichen Auswirkungen dieses beliebten Baumaterials zu bekämpfen? 

Nun, zum einen entwickelt sich Beton weiter, um den komplexen und fortschrittlichen Bedürfnissen der Welt gerecht zu werden. Wie wir zuvor mitteilten, werden fortschrittliche Materialien wie Graphen und Hanf zunehmend eingesetzt in Baustoffen. Selbst kohlenstofffreier Zement wird durch Ersetzen von Kalkstein oder durch die Verwendung von fossilen Brennstoffen basierendem Kalkstein hergestellt.

Es gibt eine weitere Lösung, und das ist 3D‑Druck. Genau! Die gleiche Methode, die verwendet wird um Kunst, Möbel und andere Konsumgüter zu schaffen, sowie in der Forensik, Prothetik und Chirurgie, verändert ebenfalls das Spiel im Bauwesen. 

3D‑Druck oder additive Fertigung, bei der dreidimensionale Objekte aus einer digitalen Datei durch Auftragen von Materialschichten hergestellt werden, gewinnt dank seiner Vorteile wie schneller Prototypenerstellung, Individualisierung, Kosteneinsparungen, Reduzierung von Materialabfällen, Förderung von Innovationen und Nachhaltigkeit stark an Bedeutung.

Diese Technologie wird jetzt eingesetzt im Bauwesen, was an sich nichts Neues ist, da 3D‑Druck bereits vor vielen Jahrzehnten im Bau eingesetzt wurde. Allerdings hat die Nutzung von 3D‑Druck in den letzten Jahren erheblich zugenommen, um den Prozess deutlich zu beschleunigen, den Materialeinsatz zu optimieren, komplexe Designs und maßgeschneiderte Strukturen zu erforschen, den Fernbau zu erleichtern und die Sicherheit zu erhöhen.

Die vielfältigen Vorteile des 3D‑Drucks umfassen zudem kürzere Lieferketten dank Vor‑Ort‑Bau und eine erhebliche Verringerung von Arbeitsgefahren, da der Bedarf an manueller Arbeit in risikoreichen Einsätzen reduziert wird.

In diesem Jahr sahen wir tatsächlich das weltweit größte 3D‑gedruckte Viertel in Texas nahe seiner Fertigstellung nach zwei Jahren Bauzeit. Das 3D‑gedruckte Bauunternehmen ICON steht hinter diesem Projekt.

Das private Unternehmen ICON druckt nicht nur Wohnhäuser, sondern ist auch im Bereich Verteidigung und Weltraumbau tätig. Vor weniger als einem Jahrzehnt hat ICON insgesamt $451 Millionen aufgebracht, wodurch sich seine Bewertung auf etwa $2 Milliarden erhöhte. Das Unternehmen ist tatsächlich von der NASA beauftragt, Landeplätze, Unterkünfte und andere Strukturen auf dem Mond im Rahmen des Artemis‑Programms zu bauen.

Im Jahr 2018 baute es das erste genehmigte 350‑Quadrat‑Fuß‑große 3D‑gedruckte Haus in den USA, das nur zwei Tage dauerte. Das Haus wurde aus Beton gebaut, weil, wie ICO‑CEO Jason Ballard erklärte:

Es ist eines der widerstandsfähigsten Materialien auf der Erde.

Für seine Gemeinschaft in Texas verwendet das Unternehmen seinen Vulcan‑Drucker, der einem normalen Desktop‑3D‑Drucker sehr ähnlich ist und Schicht für Schicht arbeitet. Der Unterschied bei diesem Vulcan‑Drucker besteht darin, dass er 45 Fuß breit und 4,75 Tonnen schwer ist. 

Was den Prozess betrifft, wird Betonpulver mit Sand, Wasser und anderen Zusatzstoffen gemischt und dann in den Drucker gepumpt. Die Betongemischung wird dann von einer Düse auf eine Bürste gedrückt, die Schicht für Schicht einem vorprogrammierten Pfad folgt.

Der robotische Drucker hat 100 3D‑gedruckte Häuser gebaut, was das Unternehmen als die weltweit größte 3D‑gedruckte Gemeinschaft bezeichnet. Da 3D‑Druck schneller, kostengünstiger ist, Bauabfälle minimiert und weniger Arbeitskräfte erfordert, bringt er laut Unternehmen „viel Effizienz in den Handwerksmarkt“.

Dies ist jedoch erst der Anfang, wie das erwartete Wachstum des 3D‑Druck‑Bau‑Marktes zeigt. Im letzten Jahr wurde der globale 3D‑Druck‑Bau‑Markt mit $5,5 Milliarden bewertet, und er wird voraussichtlich mit einer CAGR von 105,8 % auf erstaunliche $3,3 Billionen bis 2032. 

Diese Zahlen mögen zunächst verblüffend erscheinen, aber wie wir in unserem vorherigen Artikel teilten, könnte 3D‑Druck als potenzielle Lösung für das gravierende Problem des Wohnungsmangels hervortreten, was das Billionen‑Ziel zu einer realen Möglichkeit macht.

Angesichts des enormen Interesses am 3D‑Druck im Bauwesen ist es sinnvoll, diese Technologie zu nutzen, um den Baumarkt zum Besseren zu verändern. Und genau das tun Wissenschaftler der Nanyang Technological University (NTU) in Singapur.

Die Forscher gingen einen weiteren Schritt weiter, indem sie den Beton selbst 3D‑drucken. Dafür entwickelten sie ein 3D‑Betondruckverfahren, das Kohlenstoff bindet und damit einen neuen Weg zur Reduzierung der Umweltauswirkungen der Bauindustrie aufzeigt.

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3D‑Druck von Beton, der CO2 bindet

Anfang dieses Monats veröffentlichten NTU‑Wissenschaftler ihre Forschung zu „Carbon capture and sequestration with in-situ CO2 and steam-integrated 3D concrete printing“.

Die Forschung beschrieb die innovative Methode, die darauf abzielt, den CO2‑Fußabdruck von Zement erheblich zu reduzieren, indem Materialverbrauch, Arbeitsaufwand und Bauzeit gesenkt werden. 

Es wird auch vorgeschlagen, dass nachhaltige Entwicklung durch 3D‑Betondruck zu bis zu 5 % Reduktion des globalen Energieverbrauchs führen kann. Diese Umweltvorteile sind potenziell gleichwertig zu seiner Fähigkeit, Bauprozesse zu optimieren. 

Allerdings wurde das Mischen von CO2 in Beton, wie die neueste Studie zeigt, bereits zuvor durchgeführt, um die Materialqualität zu verbessern und die negativen Umweltauswirkungen von Zement zu verringern.

Frühere Studien haben bereits Verbesserungen der mechanischen Eigenschaften von Beton gezeigt, indem CO2 direkt im Batch gemischt und Beton während der Produktion in Karbonisationskammern CO2 ausgesetzt wurde, wodurch eine „Karbonisationsschale“ entsteht.

Frühere Studien berichteten von einer fast 15‑fachen Erhöhung der Eindringfestigkeit und einer Kohlenstoffaufnahme von bis zu 1,16 % bereits nach einer halben Stunde Mörtelmischung mit CO2. Die Anpassung des beschleunigten Karbonatisierungs‑Härtens (ACC) zeigte zudem eine Kohlenstoffaufnahme von 1,98–25,5 %.

Während sich die Forschung zum 3D‑Betondruck hauptsächlich auf die Entwicklung grüner zementartiger Mischungen zur Reduzierung des CO2‑Fußabdrucks konzentrierte, stellte die neueste Studie fest, dass nur wenige die Weiterentwicklung von Verarbeitungstechnologien in Betracht gezogen haben, insbesondere zur Verbesserung der großflächigen Kohlenstoffbindung und -speicherung (CCS).

Studien zur Karbonisierung zementartiger Materialien, insbesondere die geringe Fokussierung auf Tiefen, erklärten die Forscher, sind der Grund, warum ihre skalierte Umsetzung Validitätsbedenken aufwirft. Ganz zu schweigen davon, dass kammergebundene CCS‑Lösungen bei Anwendung mit 3DCP hardware- und energieverbrauchsseitig begrenzt sind. Infolgedessen werden die Vorteile skalierbarer, automatisierter und vor Ort stattfindender Bauprozesse beeinträchtigt.

Dies schafft die Notwendigkeit, einen künstlichen Karbonisierungsprozess für den 3D‑Betondruck zu entwickeln, der über herkömmliche Härtungstechniken hinausgeht.

Infolgedessen entwickelten die NTU‑Forscher einen neuen Prozess, um seine Wirksamkeit bei der Abscheidung von Kohlendioxid zu untersuchen.

Die neu entwickelte Technologie umfasst ein zweistufiges, extrusionsbasiertes System. Der erste Schritt besteht darin, CO2 und Dampf in den Mischbeton zu injizieren. Die Mischung integriert und speichert das CO2 dann direkt in der Betonstruktur. Das betreffende CO2 und der Dampf werden erfasst als Nebenprodukte industrieller Prozesse. 

Dieser neue Ansatz zeigte eine Steigerung der Gesamtkohlenstoffaufnahme um 38,2 %, was einen weiteren Weg zur dekarbonisierten Bauweise mittels 3D‑Betondruck bietet.

Das Design des proprietären Druckkopf‑Aufsatzes, der die geregelte Injektion gasförmiger und flüssiger Zusatzstoffe ermöglicht, soll das kritische Problem der Umwelt‑Nachhaltigkeitsbedenken beim automatisierten Bau angehen. Es adressiert zudem die Anforderungen an bedarfsgerechte Aushärtung, aber vor allem den Mangel an sofort verfügbaren CCS‑Lösungen, die mit dem 3D‑Betondruck kompatibel sind.

Nicht nur reduziert die neue Methode den CO2‑Fußabdruck von Zement, sondern sie hat auch gezeigt, dass sie die mechanischen Eigenschaften des Betons verbessert. Dies wiederum verleiht der Struktur im Vergleich zu herkömmlichem 3D‑gedrucktem Beton große Festigkeit.

Laut der Forschungsarbeit führte die Integration von CO2 und Dampf zu einer Steigerung der 3D‑Druckbarkeit um bis zu 50 %, der Biegefestigkeit um 45,3 % und der Druckfestigkeit um 36,8 %.

Die Forscher kamen zu dem Schluss, dass die Proben, die dem CO2‑Dampf‑integrierten Druck und der Lufttrocknung ausgesetzt waren, die höchste Kohlenstoffaufnahme erzielten. Laut den Forschern:

Die vorgestellte Lösung bietet einen vielversprechenden Weg zu einer dekarbonisierten Bauweise und erweitert gleichzeitig praktikable Optionen für CCS über traditionelle, geschlossene Härtungsmethoden hinaus.

Das Team wies zudem darauf hin, dass die Optimierung von Druckkonfigurationen, Mischungen und die Injektion von Abgasen zur Reduzierung des Verschwendens reinen Kohlendioxids als mögliche Forschungsbereiche für die Zukunft gelten.

Investierbares Unternehmen im 3D‑Druck‑Bereich

Nun wollen wir uns ein börsennotiertes Unternehmen ansehen, das im 3D‑Druck‑Markt tätig ist und dessen Marktwert im Jahr 2024 auf $17,5 Milliarden im Jahr 2024 geschätzt wird und voraussichtlich mit einer CAGR von 16,4 % auf $37,4 Milliarden in den nächsten fünf Jahren wachsen wird, was Fortschritte im Sektor bedeutet und dazu beiträgt, die Welt zum Besseren zu verändern.

1. Stratasys Ltd.

Stratasys ist ein bekannter Name im 3D‑Druck‑Bereich und bietet Lösungen für mehrere Sektoren. Technologien des Unternehmens tragen zu Fortschritten im Feld des 3D‑Drucks bei. 

Mit einer Marktkapitalisierung von $689,5 Millionen notieren die Aktien von Stratasys derzeit bei $9,66, ein Rückgang von 32,35 % in diesem Jahr. Das Unternehmen weist ein EPS (TTM) von -1,32 und ein KGV (TTM) von -7,30 auf.

Für das 3. Quartal 2024 meldete einen Umsatz von $140,0 Millionen, gegenüber $162,1 Millionen im gleichen Quartal des Vorjahres. Mit diesen Zahlen verzeichnet das Unternehmen seit acht aufeinanderfolgenden Quartalen ein Wachstum des wiederkehrenden Verbrauchsmaterialumsatzes, was es mit den Worten „spiegelt die anhaltend starke Nutzung der Drucker“ beschrieb.

Die GAAP‑Bruttomarge von Stratasys verbesserte sich auf 44,8 %, während der GAAP‑Nettoverlust bei $26,6 Millionen lag und das Non‑GAAP‑Nettoeinkommen erstmals profitabel wurde. $4,5 Millionen an Barmitteln wurden für betriebliche Zwecke verwendet, und der operative Cashflow des laufenden Jahres bleibt positiv.

Mit diesen starken Zahlen hob Stratasys seine Prognose für das Gesamtjahr 2024 an. Demnach meldete das Unternehmen einen Umsatz von $580 Millionen bei $570 Millionen, ein Non‑GAAP‑Nettoeinkommen von $5 Millionen und Investitionsausgaben von $20 Millionen.

Wir haben erfolgreich begonnen, das Unternehmen durch Kostenoptimierung und Fokus auf wachstumsstärkere Chancen zu transformieren.

– CEO Dr. Yoav Zeif sagte damals

Er bemerkte weiter, dass die Hauptplattform F3300 des Unternehmens viel Aufmerksamkeit erhalte, während sie weiterhin in die wichtigsten Zielsektoren expandiere, darunter Gesundheitswesen, Automobilindustrie und Luft- und Raumfahrt.

Laut Dr. Zeif wird der Restrukturierungsplan des Unternehmens ab dem nächsten Jahr jährliche Kosteneinsparungen von $40 Millionen ermöglichen.

Wir sind gut positioniert, um im Jahr 2025 ein gesteigertes Umsatzwachstum, Rentabilität und Cashflow zu liefern, um die aufgestaute Nachfrage zu befriedigen, sobald sich die Marktbedingungen verbessern.

– Dr. Zeif

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Fazit

Beton ist seit Jahrhunderten ein Grundpfeiler der menschlichen Entwicklung, jedoch nicht ohne Gefahren. Die Umweltauswirkungen von Beton werden zu einer gravierenden Sorge, die einen dringenden Bedarf an besseren Lösungen schafft. Die neueste Technologie der NTU‑Forscher ist eine solche Entwicklung, die in die richtige Richtung geht. Durch die Nutzung von Prinzipien der additiven Fertigung hat der 3D‑Betondruck traditionelle Abläufe neu definiert und Nachhaltigkeit gefördert. 

Während die Welt mit urbaner Expansion und Klimawandel kämpft, können Innovationen wie der 3D‑Betondruck der Welt helfen, den wachsenden und komplexen Bauanforderungen gerecht zu werden und gleichzeitig seine schädlichen Auswirkungen zu mindern. Und obwohl Herausforderungen bei Skalierung und Standardisierung bestehen, kann 3D‑Druck im Laufe der Zeit, wenn die Technologie verbessert und breit übernommen wird, eine Schlüsselrolle bei der Gestaltung der Infrastruktur von morgen spielen.

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