La stampa 3D può costruire la geometria di un elemento architettonico, ma la sua resistenza finale può dipendere da un processo biologico che continua dopo la deposizione. È il principio al centro della ricerca presentata dall’ETH di Zurigo il 14 ottobre 2026: un bioinchiostro composto da sabbia, gel e batteri viene stampato in forme tridimensionali e successivamente immerso in una soluzione che consente ai microrganismi di produrre cristalli di carbonato di calcio. Il risultato è un materiale indurito a temperatura ambiente, studiato per componenti architettonici non strutturali.
I batteri come fabbrica di legante minerale
La ricercatrice Karen Antorveza Paez ha sviluppato il lavoro nell’ambito delle attività di architettura digitale dell’ETH. Il progetto sfrutta la precipitazione microbiologicamente indotta di calcite, nota con la sigla MICP. In condizioni appropriate, alcuni batteri possono contribuire alla formazione di cristalli minerali capaci di collegare granuli inizialmente separati.
Nel processo viene utilizzato il batterio Sporosarcina pasteurii, già studiato in passato per il consolidamento dei terreni e per applicazioni di biocementazione. La novità non è dunque aver scoperto che il microrganismo produce calcite. È aver collegato questo fenomeno a procedure di fabbricazione digitale che permettono di definire geometrie architettoniche complesse.
Un bioinchiostro stampabile a partire dalla sabbia
La miscela sviluppata contiene sabbia, acqua, alginato, gomma xantana e batteri vivi. Gli additivi naturali contribuiscono a creare una struttura gelificata sufficientemente coerente da essere estrusa e mantenere la forma prima dell’indurimento minerale.
Il comportamento del materiale appena depositato è cruciale. Se la miscela collassa, la successiva formazione di calcite non ripristina necessariamente la geometria prevista dal progetto. Se è troppo rigida o non scorre correttamente, l’ugello può non depositarla in modo regolare. La formulazione deve quindi conciliare esigenze di stampa e condizioni di vitalità dei microrganismi.
Il risultato non è un calcestruzzo Portland tradizionale con l’aggiunta di batteri. Il meccanismo di consolidamento e i materiali di partenza sono differenti, così come le conoscenze disponibili sulle prestazioni a lungo termine.
L’indurimento avviene dopo la deposizione
Terminata la stampa, l’oggetto viene immerso in un bagno contenente urea e cloruro di calcio. I batteri utilizzano un enzima chiamato ureasi per trasformare l’urea; le reazioni generano specie carbonatiche che, in presenza di calcio, favoriscono la precipitazione del carbonato di calcio.
I cristalli minerali si formano in corrispondenza dei granuli, creando collegamenti che irrigidiscono progressivamente il materiale. L’ETH descrive un processo di mineralizzazione compreso indicativamente fra due e cinque giorni, in funzione della resistenza desiderata. Durante questo periodo il bagno viene rinnovato quotidianamente per mantenere disponibili i reagenti.
Dopo la mineralizzazione il componente viene lasciato asciugare. Le cellule non continuano a svolgere indefinitamente una funzione attiva all’interno del pezzo concluso; il risultato strutturale dipende dal materiale minerale che hanno contribuito a formare.
Un elemento di facciata come dimostratore
Fra gli oggetti mostrati figurano elementi architettonici con geometrie che potrebbero essere utilizzate per ombreggiamento o partizioni. Si tratta di applicazioni nelle quali la forma è importante, ma che non richiedono di attribuire immediatamente al materiale le prestazioni di una parete portante in calcestruzzo armato.
Il componente dimostrativo è utile perché collega due caratteristiche: la libertà geometrica della stampa e la formazione del legante a temperatura ambiente. La precisione e la stabilità dipendono comunque dalla preparazione del bioinchiostro, dal processo di mineralizzazione e dalle condizioni di asciugatura.
Non sono disponibili dati sufficienti per considerare questa tecnologia una soluzione qualificata per edifici strutturali. L’ETH sottolinea esplicitamente che lo sviluppo di elementi portanti richiederà un lungo percorso di ricerca.
Un secondo metodo utilizza lo spruzzo robotizzato
La tesi di ricerca comprende anche una procedura diversa dalla stampa attraverso ugello. Un braccio robotico applica successivamente sabbia, batteri e sostanze necessarie alla mineralizzazione, costruendo uno strato sopra l’altro senza passare per il medesimo bagno di immersione del primo metodo.
Questa tecnica è ispirata alla formazione naturale di strutture sedimentarie create dall’attività di microrganismi. L’ETH riferisce una dimostrazione eseguita durante la Biennale Architettura di Venezia del 2025, sviluppata nell’arco di sei mesi. La durata riguarda la sperimentazione e la dimostrazione del processo, non un tempo necessario per produrre ogni oggetto.
I due percorsi non sono intercambiabili. La stampa con bioinchiostro è orientata alla produzione di elementi con una geometria definita; lo spruzzo robotizzato interessa maggiormente la costruzione progressiva di superfici. Quest’ultimo metodo richiede ulteriori studi sul comportamento meccanico.
Una tecnologia realmente meno inquinante?
L’indurimento minerale a temperatura ambiente evita alcune fasi termiche associate alla produzione del cemento convenzionale, caratterizzate da consumi energetici e emissioni significativi. Questo rende il processo interessante dal punto di vista ambientale, ma non autorizza a definirlo automaticamente sostenibile su tutto il ciclo di vita.
La ricerca segnala un problema importante: la reazione legata alla trasformazione dell’urea produce anche ammonio, una sostanza la cui dispersione può avere conseguenze ambientali. Per valutare il bilancio ecologico occorre quindi considerare la gestione del bagno, il trattamento dei sottoprodotti e il consumo dei reagenti.
L’ETH indica che questo tema è oggetto di ulteriori studi. Senza una soluzione per la gestione dei residui, il vantaggio energetico di un indurimento a temperatura ambiente potrebbe essere accompagnato da altri impatti rilevanti.
Resistenza e durata sono le grandi incognite
Il calcestruzzo convenzionale è il risultato di oltre un secolo di sviluppo di formulazioni, normative e metodi di verifica. La biocementazione deve ancora costruire una base comparabile di informazioni sulla relazione fra granulometria, quantità di calcite, distribuzione del legante e proprietà del componente.
Per applicazioni esterne saranno importanti assorbimento d’acqua, cicli di bagnatura e asciugatura, stabilità nel tempo e comportamento sotto sollecitazioni ripetute. Una superficie mineralizzata che resiste durante una dimostrazione non garantisce automaticamente prestazioni sufficienti per anni di esposizione all’ambiente.
Il materiale viene descritto dalla ricercatrice come più vicino, allo stato attuale, a una malta che a un calcestruzzo strutturale. È una precisazione fondamentale per evitare che il termine biocemento generi aspettative non dimostrate.
Tre lavori scientifici per due metodi produttivi
Il programma di ricerca ha prodotto pubblicazioni scientifiche dedicate alla stampa del biocemento, allo spruzzo robotizzato e al flusso progettuale per geometrie porose. Questo insieme di lavori permette di affrontare il problema da prospettive complementari: composizione del materiale, processo produttivo e progettazione digitale.
La disponibilità delle pubblicazioni non trasforma il metodo in un prodotto industriale, ma offre riferimenti tecnici per verificarne le ipotesi. I successivi sviluppi dovranno confrontare prove di laboratorio, modelli e prestazioni dei componenti in condizioni reali.
Il legante non viene prodotto in un forno, ma nel materiale
La differenza rispetto al cemento Portland tradizionale riguarda il modo in cui viene generato il legame fra granuli. Nella biocementazione la ricercatrice Karen Antorveza Paez utilizza batteri del tipo Sporosarcina pasteurii, capaci di produrre l’enzima ureasi. In presenza di urea si formano specie carbonatiche che, reagendo con gli ioni calcio disponibili, favoriscono la precipitazione di carbonato di calcio. I cristalli si sviluppano negli spazi fra i granuli e contribuiscono a collegarli in un corpo più rigido.
Il principio è noto nella ricerca geotecnica, dove tecniche affini sono state studiate per consolidare terreni, ma utilizzarlo per costruire geometrie architettoniche controllate richiede problemi nuovi. Il materiale deve mantenere una forma durante la deposizione, consentire una distribuzione sufficientemente omogenea degli organismi e ricevere i reagenti necessari alla mineralizzazione. Una geometria molto spessa o con cavità difficili da raggiungere potrebbe comportarsi diversamente da un campione sottile in laboratorio.
Il materiale stampato inizialmente non possiede quindi tutte le caratteristiche finali. L’indurimento dipende da un processo chimico-biologico successivo e può risultare differente in funzione delle condizioni locali. Questo distingue la tecnica da un’estrusione cementizia nella quale il legante viene attivato e la presa procede secondo meccanismi convenzionali durante e dopo la deposizione.
Due procedure che risolvono problemi diversi
Nel primo metodo la miscela comprende sabbia, batteri e un gel a base di acqua, alginato e xantano. La forma viene prodotta attraverso stampa 3D e successivamente immersa in un bagno contenente urea e cloruro di calcio. Secondo la comunicazione ETH, l’intero ciclo di mineralizzazione può durare da due a cinque giorni, in funzione della resistenza desiderata, e richiede il rinnovo giornaliero del bagno. Dopo l’asciugatura, il componente mineralizzato non dipende più dall’attività dei batteri per mantenere la propria forma.
La durata non va confusa con il solo tempo di stampa. In una valutazione industriale bisognerebbe sommare preparazione della miscela, deposizione, movimentazione del pezzo ancora fragile, giorni di trattamento, gestione delle soluzioni e asciugatura. Un processo che non utilizza la temperatura di un forno può essere interessante dal punto di vista energetico ma avere tempi di attraversamento più lunghi e specifiche esigenze di spazio e impianti.
Il secondo metodo elimina il bagno come fase separata e impiega una testa robotica per applicare successivamente sabbia, batteri e sostanze necessarie alla mineralizzazione. Il procedimento prende ispirazione dalle stromatoliti, strutture naturali in cui i processi biologici contribuiscono alla deposizione di materiale in strati. Alla Biennale Architettura di Venezia del 2025 il sistema e stato eseguito per sei mesi consecutivi come dimostrazione di fabbricazione robotica, ma gli stessi ricercatori precisano che le proprietà meccaniche del prodotto spruzzato richiedono ulteriori studi.
La questione ambientale non si esaurisce con la temperatura
E allettante associare immediatamente l’assenza di cottura ad alta temperatura a un materiale privo di impatto ambientale. La valutazione reale deve però considerare l’origine dell’urea e del calcio, acqua di processo, energia degli impianti, trasporti e trattamento delle soluzioni utilizzate. Il comunicato ETH segnala in modo esplicito il problema dell’ammonio generato durante la reazione batterica: se viene rilasciato senza un trattamento appropriato, il sottoprodotto può compromettere i benefici ambientali dell’intero processo.
La ricerca sulla sostenibilita deve quindi includere anche recupero dei reagenti e trattamento delle acque. L’impatto del biocemento andrebbe calcolato per una funzione edilizia confrontabile, non soltanto per un chilogrammo di materiale generato. Un elemento schermante di facciata e una parte portante non sono equivalenti quanto a requisiti, durata prevista e quantità di materiale impiegata.
Un bilancio completo dovrebbe inoltre valutare quanta materia venga scartata nelle prove, come cambia la resistenza con l’esposizione all’acqua e quali interventi di manutenzione saranno necessari nel tempo. Senza questi dati il processo rimane una proposta promettente, ma non è possibile attribuirgli una riduzione delle emissioni universale e già certificata.
Dalla forma libera alla caratterizzazione del materiale
L’ETH ha sviluppato tre studi scientifici collegati alla ricerca: uno relativo alla stampa del biocemento e alla scala dei componenti, uno allo spruzzo robotizzato e uno alla progettazione di geometrie porose. Questa articolazione evidenzia che il problema comprende contemporaneamente formulazione, controllo della macchina e progettazione delle forme. Modificare la geometria di un reticolo può migliorare l’accesso del bagno di mineralizzazione, ma può anche cambiare il comportamento sotto carico o l’assorbimento di acqua.
La questione delle prestazioni strutturali resta aperta. Resistenza a compressione, trazione e flessione, risposta ai cicli umido-secco e comportamento nelle diverse condizioni atmosferiche non possono essere dedotti dal solo fatto che i granuli siano legati da cristalli minerali. Saranno necessari protocolli di prova ripetibili, soprattutto se l’obiettivo futuro dovesse estendersi oltre le schermature, le pareti non portanti e i dimostratori architettonici.
L’avanzamento più significativo non consiste nell’aver ottenuto un cemento automaticamente equivalente a quello industriale, ma nell’aver mostrato che un processo biologico può diventare parte controllabile di una catena di fabbricazione digitale. È una prospettiva che collega architettura computazionale, scienza dei materiali e robotica, senza nascondere i limiti ambientali e meccanici che devono essere risolti prima dell’adozione su larga scala.
Quando la fabbricazione diventa un processo biologico
La parte più originale dell’iniziativa è il ruolo attribuito ai microrganismi. La stampante definisce la forma iniziale, mentre una reazione biologica controllata determina l’indurimento successivo. La fabbricazione non si conclude quindi necessariamente al termine dell’ultimo percorso dell’ugello.
Questa impostazione può aprire possibilità di progettazione di materiali con geometrie più articolate e processi a temperatura relativamente bassa, ma richiede di affrontare nuove variabili produttive: vitalità batterica, disponibilità dei nutrienti e dei reagenti, uniformità della mineralizzazione e gestione dei sottoprodotti.
Il risultato dell’ETH non è l’annuncio di edifici portanti pronti per il mercato. È una dimostrazione scientifica che combina stampa 3D, robotica e biocementazione per realizzare elementi architettonici sperimentali. Il suo interesse sta nella possibilità di controllare digitalmente la forma di un materiale il cui legante viene generato da organismi viventi, senza nascondere i problemi ancora aperti sulla resistenza, sulla durata e sull’impatto ambientale.
Questo articolo è stato redatto con il supporto di strumenti di intelligenza artificiale (AI).
