Des chercheurs de l’université de Stuttgart ont utilisé des processus microbiens pour produire du bio-béton respectueux de l’environnement à partir d’urine dans le cadre d’une chaîne de valeur « eaux usées-bio-béton-engrais ». Grâce à l’extension du projet accordée par le ministère des sciences, de la recherche et des arts du Bade-Wurtemberg, l’accent est désormais mis sur l’optimisation du produit et les essais pratiques.
Le béton est en plein essor. Chaque année, environ 4 milliards de tonnes de ciment sont transformées en béton et utilisées dans le monde entier. Avec de graves conséquences pour l’environnement. « Le ciment conventionnel est généralement cuit à des températures avoisinant les 1450 degrés. Cela consomme beaucoup d’énergie et libère de grandes quantités de gaz à effet de serre« , précise le professeur Lucio Blandini, directeur de l’Institut pour les structures légères et la conception (ILEK) de l’université de Stuttgart.
Les chercheurs de trois instituts de l’université de Stuttgart développent un nouveau type de matériau de construction : le bio-béton. Grâce à sa résistance élevée à la compression, il peut non seulement remplacer le grès traditionnel et, dans certains cas, le béton à base de ciment. Il peut également être produit entièrement à partir de déchets et a donc une empreinte écologique nettement plus faible. Les chercheurs utilisent une matière première abondante mais jusqu’ici négligée : l’urine humaine. Ils ont testé avec succès leur méthode dans le cadre d’une étude de faisabilité financée par le ministère des sciences, de la recherche et des arts du Bade-Wurtemberg.
« Le bio-béton est produit par biominéralisation. Il s’agit d’un processus biotechnologique dans lequel des organismes vivants produisent des matériaux inorganiques par le biais de réactions chimiques« , ajoute Maiia Smirnova, associée de recherche à l’ILEK. « Nous mélangeons une poudre contenant des bactéries avec du sable, nous plaçons le mélange dans un moule, puis nous le rinçons avec de l’urine enrichie en calcium pendant trois jours dans le cadre d’un processus automatisé. La décomposition de l’urée par les bactéries, combinée à l’ajout de calcium à l’urine, entraîne la formation de cristaux de carbonate de calcium. Le mélange de sable se solidifie ainsi en bio-béton. À la fin du processus, on obtient un solide chimiquement similaire au grès calcaire naturel. En fonction du moule, les éléments peuvent être créés dans différentes formes et tailles, avec une profondeur maximale actuelle de 15 centimètres.«
Les premiers échantillons produits montrent des propriétés matérielles prometteuses. En utilisant de l’urée technique, l’équipe a obtenu une résistance à la compression de plus de 50 mégapascals, ce qui dépasse largement la résistance des matériaux de construction produits par biominéralisation disponibles jusqu’à présent. L’urée contenue dans l’urine artificielle a permis d’obtenir une résistance à la compression de 20 mégapascals. Avec de l’urine humaine réelle, la valeur était de cinq mégapascals, car les bactéries perdent leur activité au cours de la période de biominéralisation de trois jours. Cette valeur doit maintenant être améliorée. Selon les scientifiques, une résistance de 30 à 40 mégapascals dans le matériau biominéralisé serait suffisante pour construire des bâtiments de deux à trois étages. Ils effectuent actuellement des tests de gel-dégel pour déterminer si le matériau peut être utilisé à l’extérieur.
« Le processus de production de notre bio-béton consomme beaucoup moins d’énergie et produit moins d’émissions que la production conventionnelle de ciment. Mais notre approche est également durable car nous intégrons le produit dans une chaîne de valeur circulaire« , explique M. Blandini. Les chercheurs ont développé un concept qui montre comment l’urine pourrait être séparée et traitée à partir du flux partiel d’eaux usées dans les lieux très fréquentés, tels que les aéroports, afin de l’utiliser comme matière première pour la production de bio-béton. Dans le même temps, ce processus pourrait permettre de récupérer des substances secondaires de valeur à partir des eaux usées afin de produire des engrais pour l’agriculture. « En fabriquant deux produits en même temps, nous augmentons les avantages pour l’environnement« , indique Mme Smirnova.
Après avoir mené à bien les études préliminaires, le projet a été prolongé de trois ans par le ministère de la science, de la recherche et des arts du Bade-Wurtemberg. Dans le cadre d’autres tests de laboratoire, les chercheurs veulent identifier les substances présentes dans l’urine humaine qui ont un effet négatif sur l’activité des bactéries et donc sur la qualité du bio-béton. Le processus de fabrication sera optimisé sur cette base. L’équipe, en collaboration avec le Centre pour l’agriculture biologique de l’Université de Hohenheim, se concentre également sur la production simultanée d’engrais.
Une fois les essais en laboratoire terminés, le concept sera testé dans des conditions réelles : Une installation pilote est prévue à l’aéroport de Stuttgart, où l’urine sera collectée et transformée en bio-béton et en engrais.
Bio-béton à haute résistance pour la production d’éléments de construction. Maiia Smirnova, Christoph Nething, Andreas Stolz, Janosch A. D. Gröning, Daniele P. Funaro, Erik Eppinger, Manuela Reichert, Jürgen Frick, Lucio Blandini. npj Materials Sustainability 1, 4 (2023). https://doi.org/10.1038/s44296-023-00004-6
