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Engpass bei scheinbarem Überflussgut

erstellt von holgerkroker zuletzt verändert: 20.02.2017 14:26

Neben Wasser ist Sand die am meisten verbrauchte Ressource der Welt, noch vor Öl. Und obwohl es gigantische Sandwüsten rings um den Globus gibt, droht im Fall von Sand ein Versorgungsengpass. Weil die Bauindustrie mit Wüstensand nichts anfangen kann, suchen Forscher nach Alternativen. Und werden fündig, unter anderem Dank der Hilfe winziger Bakterien.


Berühmte Palmeninsel in Dubai: Halbinsel aus Sandaufschüttungen in den Persischen Golf. (Bild: NASA)

"Palmeninsel" in Dubai: Halbinsel aus Sandaufschüttungen in den Persischen Golf. (Bild: NASA)

7,5 Trillionen Sandkörner sollen an den Stränden dieser Welt liegen. Eine sehr grobe Schätzung. Ebenso ungenau sind die Versuche, den Sandverbrauch der Menschheit zu beziffern. Pascal Peduzzi vom UN-Umweltprogramm UNEP hat 2014 ein Informationsblatt zusammengestellt, in dem die Angaben zwischen 30 und 50 Milliarden Tonnen pro Jahr schwanken. Sand ist neben den Energierohstoffen Kohle, Öl und Gas der Motor des Industriezeitalters: Ohne die unscheinbaren Körner gäbe es keine Computerchips und keine Solaranlagen. Es gäbe aber auch keine Häuser, Straßen, Eisenbahntrassen und Landebahnen, denn vom Beton bis zum Glas basieren viele Schlüsselmaterialien auf Sand. Mit dem Jahresverbrauch des Bausektors allein ließe sich rund um den Äquator eine 27 Meter hohe und 27 Meter breite Mauer aufschütten.

Ironischerweise gieren gerade die Wüstenstaaten am Golf mit ihren gigantomanischen Wolkenkratzerplänen besonders nach Sand. Ihr Problem: Die Arabische Wüste direkt vor der Haustür kann das Material nicht in brauchbarer Qualität liefern. Wüstensand ist zu fein und zu rund, um im Beton für die nötige Festigkeit zu sorgen. Also lassen die Scheichtümer rund um den Globus Sand aufkaufen und in den Persischen Golf schaffen. Saugschiffe saugen in ihrem Auftrag in bitterarmen afrikanischen Staaten die Strände weg. Doch selbst dieser petrodollargetriebene Bauboom verblasst gegenüber dem in China. "Das Land braucht rund 60 Prozent der weltweit geförderten Sande und Kiese. Wegen der rasanten Entwicklung hat es in den letzten vier Jahren mehr Sand gebraucht als die USA im letzten Jahrhundert", sagt UNEP-Wissenschaftler Peduzzi.

Flughafen Changi/Singapur: sein Grund wurde dem Meer durch Sandaufschüttung abgerungen. (Bild: Pulkitsangal/CC BY 3.0)Neben China tut sich in Asien Singapur als besonders großer Sandverbraucher hervor. Der Zwergstaat an der Straße von Malakka hat den höchsten Pro-Kopf-Sandverbrauch der Welt, "weil man", sagt UNEP-Wissenschaftler Pascal Peduzzi, "sich dazu entschlossen hat, das Territorium zu erweitern". Schon 2030 soll Platz für sieben Millionen Menschen zur Verfügung stehen. Derzeit wohnen auf einer Fläche, die kleiner als der Stadtstaat Hamburg ist, 5,4 Millionen Menschen. "Seit 1973 ist die Fläche von Singapur um 20 Prozent gewachsen", so Peduzzi, "indem Sand aus den benachbarten Ländern importiert worden ist, aus Indonesien, Malaysia, Thailand und inzwischen sogar aus Kambodscha." Als der Sandimport solche Ausmaße angenommen hatte, dass ganze Buchten verschwanden und Inseln untergingen, erließen diese Staaten ein Exportverbot. Seither geschieht der Raubbau heimlich und im Schutze der Nacht.

Sand wird überall gebraucht

"Sand ist ein ganz wichtiger Zuschlagstoff in der Betonindustrie. In allen Putzen steckt normalerweise Sand, wenn sie auf mineralischer Basis sind, in sämtlichen Estrichböden und allen Fensterscheiben. Es ist im Endeffekt diese mineralische Komponente in Gebäuden, die ohne den Sand eigentlich heute nicht auskommt." Dirk Hebel ist Assistenzprofessor für Architektur und Konstruktion an der Eidgenössischen Technischen Hochschule in Zürich. Sein Interesse am ebenso profanen wie wichtigen Sand rührt noch aus seiner Zeit als Wissenschaftlicher Direktor am Äthiopischen Institut für Architektur, Hochbau und Stadtentwicklung in Addis Abeba. Äthiopien gehört zu den aufstrebenden Staaten Afrikas, kann aber nicht mit der Nachfragemacht der Petromonarchien oder Chinas mithalten. Die Folge ist ein hartnäckiger Mangel an Baumaterial in einer der am schnellsten wachsenden Metropolen des Kontinents. "Wir hatten Zeiten, in denen wir über mehrere Monate hinweg keinen Zement im Land hatten, wir hatten Zeiten, in denen wir keinen Stahl im Land hatten", erinnert sich der Deutsche mit Abschlüssen der ETH und der US-Eliteuniversität Princeton.

Auch illegaler Sandabbau ist vielerorts ein Problem, wie hier in Mumbai/Indien. (Bild: Sumaira Abdulali/CC BY-SA 3.0)Dabei leidet nicht nur die Baubranche. Der rasante Sandverbrauch trifft vor allem Sand- und Kiesgruben, Flüsse und seit neuestem die küstennahen Meere und sorgt dort für gravierende Umweltveränderungen. Pascal Peduzzi: "Die Gewinnung aus Sandgruben und Flussbetten ist an ihren Grenzen angelangt, damit hat sich die Gewinnung ins Meer und an die Küsten verlagert." Die hier entnommenen und anderswo aufgeschütteten Mengen sind gewaltig, konservativen Schätzungen zufolge doppelt so groß wie die Sedimentfrachten aller Flüsse dieser Erde zusammengenommen. Die Folgen sind erheblich. "Sand- und Kiesgruben an Land, an Flüssen oder Seen können den Grundwasserspiegel absenken und Strömungen verändern", betont der Schweizer UNEP-Experte. Auch an den Küsten verändern sich Strömungen, wenn großräumig Strände abgebaut werden und der Erosionsschutz gegen die hungrige See schwindet. Strände und Sandbänke puffern viel Wellenenergie ab und mindern die zerstörerische Kraft der Stürme.

Badeort Scheveningen/Holland: Sand muss angespült werden, um den Schutz durch Strände und Dünen zu erhalten. (Bild: H. Kroker)In Europa haben das die Anrainer der Nordsee schmerzlich erfahren müssen, und versuchen in den jüngsten Jahrzehnten die Folgen jahrhundertelangen Raubbaus zu heilen. Doch ihre Lehren daraus werden anderswo nicht unbedingt beherzigt. Der illegale Abbau ist ein Multimilliarden-Geschäft mit mafiösen Strukturen. In Marokko ist bereits die Hälfte der Strände widerrechtlich abgetragen worden. Auf Jamaica stahlen Sanddiebe für den Bau einer künstlichen Bucht in einem neuen Luxus-Resort den Strand eines Fischerdorfs. Sie kamen nachts mit schwerem Gerät - und Gewehren. UN-Forscher Peduzzi macht sich da keine Illusionen: "So etwas sehen wir an vielen Orten. Menschen sind wegen des Sandhandels sogar getötet worden."

Alternativen zum Fluss- und Meeressand werden gesucht

Kein Wunder also, dass Architekten und Bauingenieure nach Wegen suchen, den drohenden Sandmangel zu umgehen. Eine Methode, den bislang unbrauchbaren Wüstensand und sogar Abfallstaub aus dem Steinbruch in Baumaterial zu verwandeln, entwickelt die US-Amerikanerin Ginger Krieg-Dosier: "Als ich hörte, dass Mikroorganismen manche Sandsteine regelrecht zusammenkleben, weil sie Sandkörner zementieren, wollte ich meine eigenen Steine wachsen lassen", sagt Krieg-Dosier, die in North Carolina ein Start-Up gegründet hat, um die Idee zu realisieren. Sie vermischt in Ziegelformen kalkabscheidende Bakterien, eine kalzium- und stickstoffhaltige Nährlösung und das Sandsubstrat und lässt die Bakterien dann arbeiten. Nach fünf Tagen steht ein aus biogenem Beton gewachsener Ziegel. Derzeit wachsen Tausende von Versuchssteinen bei amerikanischen Partnerfirmen von Krieg-Dosiers Unternehmen bioMason heran, doch die junge US-Architektin hat einen weit entfernten Markt im Visier: "Gerade der Sand der Arabischen Wüste eignet sich für das Ziegelwachstum", sagt sie in einem Firmenvideo. Ziegel-Inkubatoren würden aus dem Meer aus Sand vor den Toren der arabischen Retortenstädte eine schier unerschöpfliche Ressource machen. 

Kunststeine aus Sand und Bakterienlösung lagern bei einer Partnerfirma des US-Startups bioMason. (Bild: bioMason)Auch Alexander Gypser von der Bauhaus-Universität Weimar spielt mit diesem Gedanken, setzt allerdings auf Polymere: "Wir benutzen als Bindemittel ein ungesättigtes Polyesterharz und erreichen damit Festigkeiten, die ungefähr fünfmal fester sind als herkömmlicher Beton, der mit Zement hergestellt wird." Das Patent ist bereits 20 Jahre alt, doch Gypser und seine Kollegen von der Bauhaus-Universität haben zusammen mit der Firma PolyCare Research Technology die Idee aufgegriffen und produzieren damit Fertigbauteile, die nach dem Legoprinzip zusammengesteckt werden. In den Testläufen an der Uni Weimar hat sich die Beständigkeit des Materials erwiesen: Es gibt keine Risse, über die Feuchtigkeit eindringen kann. Erste Musterhäuser in Thüringen und Indien zeigen bereits, dass das Konzept im Prinzip funktioniert, eine  Produktionsanlage wurde inzwischen auch nach Libyen verkauft. Die großtechnische Bewährungsprobe steht allerdings noch aus.

Die Rub-al-Chali im Süden der Arabischen Halbinsel gilt als größte Sandwüste der Erde. (Bild: Nepenthes/CC BY 3.0)Die Idee, die Wüsten als Rohstoffquellen nutzbar zu machen, stößt nicht überall auf Gegenliebe. Schließlich sind auch sie Ökosysteme, gehören sogar zu den empfindlichsten der Erde. Ein großmaßstäblicher Abbau dürfte hier schnell zu ebenso großen Schäden führen wie in Flüssen oder an Meeresstränden. "Wir müssten langsam anfangen, aus unseren Fehlern zu lernen und zu schauen, ob wir überhaupt in diese ökologischen Systeme noch eingreifen wollen oder ob wir vielleicht noch bessere Ideen haben", sagt daher ETH-Forscher Dirk Hebel. Er erforscht daher nachwachsende Baustoffe. "Meine Vision wäre eigentlich, dass wir in Zukunft Häuser bauen könnten, die wir nach dem Gebrauch nicht wegwerfen, sondern die wir auf den Kompost legen", erzählt der Architekt in seinem sonnendurchfluteten Büro auf dem Hönggerberg-Campus oberhalb der Stadt. 

Nachwachsende Baustoffe

Ihm schwebt so etwas wie eine Kreislaufwirtschaft der Baustoffe vor: "Durch eine Kompostierung entstehen im Endeffekt Nährstoffe, und diese Nährstoffe können wiederverwendet werden, um neue regenerative Baumaterialien zu kreieren oder zu züchten." Hebel will für die Baustoffzüchtung Pilze einsetzen. Deren Wurzelwerk soll das Material für leichte und gut isolierende Baustoffe liefern. Nach ein paar Tagen, wenn das Baumaterial fertig ist, wird das Ganze kurz auf 60 bis 80 Grad erhitzt. Der Pilz stirbt ab, aber das Material behält seine Festigkeit. "Wir testen gerade erst in kleinem Maßstab", erklärt der Wissenschaftler in seinem Labor, "weil wir erst einmal verstehen wollen, was passiert, was am besten funktioniert, welche Technologien wir entwickeln müssen." Derzeit sind die Myzel-Steine nur für nichttragende Wände einsetzbar, an solchen für tragende Wände wird gearbeitet. Sie wiegen kaum mehr als Styropor und fühlen sich eher an wie raue Spanplatten. Hebel sieht für seine "Pilzsteine" vor allem den Einsatz bei niedrigen Wohnhäusern vor. "Heutzutage leben 80 Prozent der Weltbevölkerung in Strukturen, die nicht höher als zwei Geschosse sind", sagt er. Damit fänden die nachwachsenden Steine ein riesiges Einsatzgebiet.

Stahlbeton mit deutlichen Spuren der Korrosion. (Bild: Florian.Arnd/CCO)An der niederländischen Technischen Universität Delft hingegen sucht man dagegen nach Wegen, die Lebensdauer von Betonbauteilen zu verlängern. Theoretisch haben Spannbeton-Bauwerke wie zum Beispiel Brücken eine Lebensdauer von 100 Jahren, praktisch sind sie oft schon nach weniger als der Hälfte so marode, dass sie aufwendig saniert oder oft sogar abgerissen werden müssen. Im Labor von Henk Jonkers an der Fakultät für Bau- und Geowissenschaften forscht man daher an selbstheilendem Beton, der die versprochene Lebensdauer auch einhalten kann. Verlängerte Nutzung - auch das ist ein Beitrag zur Ressourcenschonung. "Bei Betonkonstruktionen gibt es durch die Rissbildung Probleme mit der Langlebigkeit", erläutert der Hochbauingenieur. Wasser, Salze und Gase können durch die Risse eindringen und die Korrosion in Gang setzen.

Selbstheilender Beton

Um das zu verhindern, entwickelten die Delfter ein biologisches Versiegelungsverfahren. Es basiert ebenso auf kalkabscheidenden Bakterien, wie die Kunststeine von Ginger Krieg-Dosier. Doch sind die Mikroben in Delft als eine Art Feuerwehr gedacht. Jonkers mischt winzige Kugeln aus Bakterien und Nährstoffen gleichmäßig in den flüssigen Beton. Sie erstarren mit dem Material und bleiben inaktiv, solange der Beont dicht ist. Entsteht jedoch ein Riss, dringt Wasser ein - und das aktiviert die Sporen. Sie keimen, die Bakterien bedienen sich an Nährstoffen, scheiden Kalk ab und verschließen den Riss wieder. Die Kunst besteht jetzt darin, die Bakterien so gleichmäßig im Beton zu verteilen, dass sie jedes denkbare Leck abdecken können:

Die Bakterien, die Jonkers einsetzt, gehören zu einer Gruppe, deren Vertreter sowohl in Sodaseen leben als auch in Gesteinen. Diese Bakterien erfüllen alle Anforderungen, denn sie fühlen sich in Porenräumen wohl und bei betontypischen pH-Werten von 11 oder 12. Eingesetzt werden sie bei Neubauten als Zuschlagsstoff, aber auch - als Mörtel oder Flüssigkeit - zur Reparatur bestehender Konstruktionen. Stellschrauben, mit denen sich der Raubbau an der Ressource Sand stoppen lässt, gibt es demnach viele. Nur erfordert die Lösung des Sand-Problems noch viel Entwicklungsarbeit und damit Zeit. Doch gerade die scheint knapp zu werden.