Das neu entwickelte Super-Eis erreicht im Druckversuch etwa die zehnfache Druckfestigkeit von normalem Eis. Bis zum Versagen nimmt das Material rund 70-mal mehr Energie auf und verformt sich allmählicher, statt plötzlich zu zerspringen. BioPykrete besteht aus Wasser, Cellulose-Nanokristallen und einem eigens konstruierten Chimären-Protein. Bis daraus ein Baustoff für Polarregionen wird, müssen Haltbarkeit, Gefrier-Tau-Wechsel und eine Herstellung im großen Maßstab noch geprüft werden.
Selbst große Eisflächen können erhebliche Lasten tragen, doch das Material hat eine spröde und schwer vorhersehbare Grenze. Entsteht irgendwo ein Riss, kann er sich rasch durch das starre Kristallgefüge bis zur gegenüberliegenden Seite ausbreiten. In der Folge zerbricht das Eis häufig plötzlich, obwohl es kurz zuvor unter derselben Belastung noch stabil wirkte. Genau an dieser spröden Grenze setzten Forschende der Hebräischen Universität Jerusalem mit ihrer neuen Materialentwicklung an. Ihr Super-Eis soll die Ausbreitung solcher Risse bremsen und dadurch das plötzliche Zerbrechen verhindern.
Unter Leitung von Ido Braslavsky entwickelte das Team dafür den Verbundwerkstoff BioPykrete. Der neue Werkstoff verbindet Eis mit winzigen Kristallen aus pflanzlicher Cellulose und einem maßgeschneiderten Protein, das beide Bestandteile miteinander koppeln soll. Die Studie erschien in der Fachzeitschrift Colloids and Surfaces B: Biointerfaces. Sie beschreibt nicht nur eine höhere Belastbarkeit, sondern auch eine andere Art des Versagens: Das Material gibt unter Druck schrittweiser nach.
Für den Vergleich untersuchten die Autoren das Verhalten des Verbundstoffs bei einer Druckbelastung und analysierten zusätzlich die Energie, die bis zum Bruch aufgenommen wird. Beide Messgrößen beantworten unterschiedliche Fragen. Die Druckfestigkeit beschreibt, wie stark ein Material zusammengedrückt werden kann, bevor es versagt. Die Bruchenergie erfasst dagegen, wie viel Energie ein Probekörper während der Verformung und des fortschreitenden Schadens aufnehmen kann.
Wichtig ist diese Unterscheidung gerade bei Eis. Materialien können einem hohen Druck standhalten und trotzdem spröde brechen, sobald sich ein Riss bildet. BioPykrete verbindet eine deutlich höhere Druckfestigkeit mit einer wesentlich größeren Energieaufnahme bis zum Versagen. Die Forschenden berichten außerdem, dass die Probe nicht mehr so abrupt zerfällt wie gewöhnliches Eis, sondern sich unter zunehmender Belastung allmählicher verformt.
Die Hochschulmeldung der Hebräischen Universität Jerusalem ordnet die Druckfestigkeit in die Größenordnung von herkömmlichem Beton ein. Diese Einordnung beschreibt den Laborwert und ist keine Freigabe als Baustoff. Beton wird je nach Zusammensetzung und Einsatzbereich unterschiedlich ausgelegt; ein Vergleich der Druckfestigkeit ersetzt deshalb keine Prüfung einer konkreten Konstruktion. Zunächst liefert die Studie einen Materialnachweis unter kontrollierten Versuchsbedingungen.
Cellulose-Nanokristalle, kurz CNC, bilden den Ausgangspunkt der Verstärkung. Cellulose ist ein wesentlicher Bestandteil pflanzlicher Zellwände und verleiht Pflanzenfasern ihre Festigkeit. In der Studie verwendeten die Forscher sehr kleine, steife Kristalle aus diesem natürlichen Polymer. Sie dienen nicht einfach als lose Füllung, sondern sollen beim Gefrieren eine zusammenhängende innere Struktur bilden.
Beim kontrollierten Gefrieren ordnen sich die CNC-Partikel nach Darstellung der Autoren zu einem dreidimensionalen Netzwerk. Dieses Netz umschließt mikroskopisch kleine Bereiche des Eises und teilt die spröde Matrix damit in kleinere Zellen. Im Grundprinzip erinnert die Struktur an eine Bewehrung, die einen spröden Baustoff zusammenhält. Anders als Stahlstäbe liegen die Verstärkungselemente hier jedoch im Nanometerbereich und bestehen aus pflanzlicher Cellulose.
Ein solches Netzwerk verändert, wie sich ein Riss durch das Material bewegen kann. In reinem Eis steht ihm ein weitgehend zusammenhängendes Kristallgefüge zur Verfügung. Im Verbund trifft die Rissfront auf Cellulosebereiche und Grenzflächen, die ihren Weg behindern können. Nach der Interpretation des Forschungsteams wird die Ausbreitung dadurch gebremst oder umgelenkt, sodass ein kleiner Schaden nicht mehr so leicht das gesamte Probestück durchtrennt.
Zur festen Verankerung des Netzwerks im Eis konstruierten die Wissenschaftler ein Protein aus zwei funktionell unterschiedlichen Bausteinen. AFPIII bildet den eisbindenden Teil des Moleküls. CBM3a ist das cellulosebindende Modul. Durch die Verbindung beider Bereiche entstand ein Chimären-Protein, das an Eis und Cellulose andocken kann.
Beide Proteinbereiche erfüllen unterschiedliche Aufgaben. AFPIII bindet an die Oberfläche von Eiskristallen, während CBM3a eine hohe Affinität zu kristalliner Cellulose besitzt. Zusammen soll das Protein eine molekulare Brücke zwischen der Eisstruktur und dem CNC-Netzwerk bilden. Die Forschenden beschreiben es deshalb als eine Art biologischen Klebstoff, der die Verstärkung nicht nur räumlich verteilt, sondern an der umgebenden Eismatrix befestigt.
Im direkten Vergleich mit einer Mischung aus Eis und Cellulose ohne Proteinbrücke wird die Funktion des konstruierten Moleküls sichtbar. Mit dem Chimären-Protein verbesserten sich sowohl die Festigkeit als auch die Energieaufnahme bis zum Versagen deutlich. Die Messwerte lagen jeweils ungefähr doppelt so hoch wie bei dem ansonsten vergleichbaren Verbund ohne Protein. Damit ist die Verbindung zwischen den beiden Materialien ein wichtiger Teil des Konzepts und nicht bloß ein zusätzlicher Inhaltsstoff.
Die genaue Selbstorganisation während des Gefrierens bleibt ein zentraler Teil der Erklärung. In der Zusammenfassung der Studie schlagen die Autoren vor, dass das Chimären-Protein die Anordnung der Cellulose-Kristalle mitsteuert und so das innere Netzwerk stabilisiert. Die beobachtete Struktur passt zu dieser Deutung; die Formulierung der Studie bleibt bei der Rolle des Proteins jedoch vorsichtig. Für die mechanischen Eigenschaften ist der Verbund als Ganzes entscheidend, nicht ein einzelner Bestandteil für sich.
Aus dem Alltag ist das spröde Verhalten von Eis vertraut: Ein Würfel kann lange seine Form behalten und dann beim Anstoßen in mehrere Stücke springen. Ursache ist, dass sich Spannungen an kleinen Fehlstellen konzentrieren können. Erreicht ein Riss eine kritische Größe, läuft er durch das Material, ohne dass sich die Umgebung ausreichend verformt, um die Belastung abzubauen.
Im Verbund soll das Cellulose-Netz diese Rissbewegung unterbrechen. Die feinen Kristalle bilden Hindernisse, an denen sich die Rissfront stauen oder in eine andere Richtung ausbreiten kann. Das Chimären-Protein hält die Verstärkung zugleich an der Eisstruktur fest. So muss zusätzliche Energie aufgebracht werden, um das Netzwerk zu verformen oder seine Verbindungen zu lösen. Die Forscher führen den veränderten Bruchverlauf auf dieses Zusammenspiel zurück.
Mit einem elastischen Material wie Gummi ist BioPykrete dennoch nicht vergleichbar. Die Studie beschreibt ein duktilähnliches, fortschreitendes Versagen: Die Probe verformt sich unter Belastung allmählicher, bevor sie schließlich ihre Tragfähigkeit verliert. Das ist ein anderer Ablauf als das schlagartige Zerbrechen von gewöhnlichem Eis. Für technische Anwendungen kann ein solches Verhalten wichtig sein, weil ein Material seine Belastungsgrenze weniger abrupt erreicht.
Eine in der Hochschulmeldung gezeigte Probe war nur wenige Zentimeter groß: Sie maß etwa zwei Zentimeter in der Breite und einen Zentimeter in der Höhe. Solche Proben lassen sich in einer Druckprüfmaschine kontrolliert belasten und miteinander vergleichen. Ein kleiner Prüfkörper bildet jedoch weder eine Wand noch eine Straße oder ein Gebäude ab. Große Bauteile enthalten andere Fehler, Fugen und Temperaturunterschiede, die das Versagen beeinflussen können.
Sein Name knüpft an ein älteres Experiment an. Während des Zweiten Weltkriegs untersuchten Geoffrey Pyke und der Kristallograph Max Perutz einen Werkstoff aus Eis und Holzschliff. Pykrete war fester und schmolz langsamer als gewöhnliches Eis. Pyke wollte daraus im Rahmen des Projekts Habakkuk eine große schwimmende Plattform bauen lassen, von der Flugzeuge im Atlantik starten und versorgt werden sollten.
Im geplanten Einsatz sollte die Eisplattform alliierte Konvois vor deutschen U-Booten schützen. Das Vorhaben wurde schließlich aufgegeben, doch die Idee, Eis mit pflanzlichem Material zu verstärken, blieb als ungewöhnliches Kapitel der Werkstoffgeschichte erhalten. Einen ausführlicheren Hintergrund zu den damaligen Plänen bietet der FuW-Beitrag über Pykrete und den geplanten Flugzeugträger aus Eis.
BioPykrete greift denselben Grundgedanken auf, verändert aber die Art der Verstärkung. An die Stelle von grobem Holzschliff treten winzige Cellulose-Nanokristalle, deren Anordnung durch ein eigens entwickeltes Protein unterstützt wird. Der Ansatz arbeitet damit auf einer viel kleineren Strukturebene. Statt lediglich Fasern in Eis einzumischen, versucht das Team, die Verbindung zwischen den Materialien gezielt auf molekularer Ebene herzustellen.
Als mögliche Einsatzorte nennen die Forschenden vor allem Polarregionen. Dort kann der Transport von Beton, Stahl und anderen Baustoffen aufwendig und teuer sein. Ein Verbund, der überwiegend aus Wasser und pflanzlicher Cellulose besteht, könnte für zeitlich begrenzte oder saisonale Konstruktionen interessant werden. In dem Interview mit der Hebräischen Universität werden etwa Eisstraßen, Lager und temporäre Unterkünfte als denkbare Anwendungen angesprochen.
Noch ist der biologisch abbaubare Baustoff eine Anwendungsidee und kein Ergebnis eines Praxistests. BioPykrete muss gefroren bleiben, damit seine Eigenschaften erhalten bleiben können. In Regionen mit wechselnden Temperaturen wäre daher zu klären, wie zuverlässig die Struktur auf wiederholtes Auftauen und erneutes Gefrieren reagiert. Auch die Dauerhaftigkeit unter anhaltender Belastung ist noch nicht ausreichend untersucht. Offen bleibt zudem, wie das Material beim Schmelzen reagiert und ob sich die Rezeptur in größeren Mengen gleichmäßig herstellen lässt.
Besonders wichtig ist das sogenannte Kriechen. Darunter verstehen Materialforscher eine zeitabhängige Verformung, die unter gleichbleibender Last weitergehen kann. Ein Probekörper kann einen kurzen Druckversuch bestehen und sich unter einer über Wochen oder Monate wirkenden Belastung trotzdem verändern. Aus diesem Grund nennen die Autoren Langzeitbeständigkeit, Gefrier-Tau-Zyklen und Kriechverhalten ausdrücklich als offene Prüfaufgaben. Hinzu kommt die Frage, ob die Herstellung auch bei größeren Proben eine gleichmäßige innere Struktur liefert.
Auch die Umweltbilanz ist noch nicht abschließend geklärt. Wasser und pflanzliche Cellulose sind verfügbare Ausgangsstoffe, doch daraus folgt allein noch keine nachgewiesene Klimabilanz. Für eine belastbare Bewertung müssten unter anderem die Herstellung des Proteins, die Aufbereitung der Nanokristalle, der Energiebedarf beim Gefrieren und die Nutzung am jeweiligen Standort berücksichtigt werden. Beschrieben wird ein potenziell biologisch abbaubarer Verbundwerkstoff, aber keine vollständige Ökobilanz eines Bauprojekts.
Auf Mond oder Mars liegt ein möglicher Einsatz noch weiter in der Zukunft. Beide Himmelskörper besitzen Wassereis, und lokal verfügbare Rohstoffe könnten langfristig für Baukonzepte interessant sein. Braslavsky bezeichnete Schutzbauten aus lokalem Eis im Gespräch als eine mögliche Richtung für den Mars, betonte aber, dass BioPykrete dafür noch weit von einem Test entfernt sei. Zuvor müsste das Material unter irdischen Bedingungen zuverlässig hergestellt und über längere Zeit belastet werden können.
Künftige Versuche sollen genauer verfolgen, wie Risse innerhalb des Verbunds entstehen und welchen Weg sie durch das Cellulose-Netz nehmen. Die Forschenden wollen außerdem andere Proteine und Gefrierverfahren untersuchen, um die innere Struktur gezielter einzustellen. Damit richtet sich die nächste Entwicklungsstufe weniger auf fertige Bauwerke als auf die Frage, wie sich die Grenzflächen zwischen Eis und Verstärkung reproduzierbar kontrollieren lassen.
Chen Adar, Yulia Baron, Baruch Rofman, Maya Bar-Dolev, Liat Bahari, Victor Yashunsky, Vera Sirotinskaya, Oded Shoseyov und Ido Braslavsky: „Biomimetic engineering of a fortified ice composite with enhanced mechanical properties“, Colloids and Surfaces B: Biointerfaces 268, 116037 (2026); doi:10.1016/j.colsurfb.2026.116037
Hebräische Universität Jerusalem: „New development: Shatter-resistant ‘super-ice’ that is ten times stronger than regular ice“, 25. September 2026
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