Обычный песок может стать основой для нового строительного материала, способного заменить некоторые виды традиционного цемента. Исследователи из Швейцарской высшей технической школы Цюриха (ETH Zurich) разработали технологию, которая позволяет скреплять песчинки с помощью живых бактерий. В результате получается прочная структура, которую можно формировать с помощью 3D-печати или наносить на поверхности послойно.
Разработка может открыть новые возможности для экологичного строительства. Производство обычного цемента требует огромных затрат энергии и сопровождается значительными выбросами углекислого газа. Биотехнологический подход позволяет обойтись без высокотемпературной обработки, используя природные процессы минерализации.
Как работает биоцемент?
В основе технологии лежит бактерия Sporosarcina pasteurii. При определённых условиях она способствует образованию карбоната кальция — минерала, который встречается в известняке, меле и раковинах моллюсков.
Кристаллы карбоната кальция формируются между песчинками и связывают их в единую твёрдую структуру. По сути, микроорганизмы выполняют роль природного связующего вещества, превращая рыхлый сыпучий материал в подобие камня.
Сам принцип биоцементации известен науке уже давно. Его изучают и применяют, например, для укрепления грунта, борьбы с эрозией и ремонта трещин в бетонных конструкциях. Однако исследователи из ETH Zurich поставили перед собой более амбициозную задачу: использовать песок не просто как основу для улучшения других материалов, а превратить его в самостоятельный архитектурный материал.
Команда под руководством Карен Анторвезы Паэс (Karen Antorveza Paez) разработала два способа производства таких конструкций.
Два способа превратить песок в камень
Биологическая 3D-печать
Первый метод сочетает биоцементацию с трёхмерной печатью. Учёные создали специальную смесь, напоминающую гелеобразные чернила. В её состав входят вода, песок, живые бактерии и необходимые химические компоненты.
Эту массу можно послойно наносить, формируя объект практически заданной геометрии. Однако на выходе из принтера конструкция ещё недостаточно прочна: песчинки пока не образовали устойчивых связей.
Чтобы завершить процесс, заготовку на три дня помещают в раствор мочевины и хлорида кальция. В этой среде бактерии запускают реакции, приводящие к образованию кристаллов карбоната кальция. Минеральные соединения заполняют промежутки между песчинками и скрепляют их.
После этого изделие сушат при комнатной температуре в течение двух дней. Бактерии перестают проявлять активность, а материал приобретает твёрдость и устойчивость.
Весь цикл занимает до пяти дней.
Карен Анторвеза Паэс сравнивает процесс с выпечкой торта: сначала получается мягкая и податливая заготовка, которой ещё не хватает прочности. В обычной выпечке её обеспечивает нагрев, а здесь ту же задачу выполняют бактерии и вызываемые ими химические реакции.
Роботизированное нанесение слоёв
Второй метод предполагает использование роботизированной руки, которая распыляет смесь песка и бактерий на поверхность. Материал постепенно наращивается слой за слоем, одновременно проходя процесс минерализации.
Главное преимущество этого подхода — возможность автоматизации. По данным исследователей, экспериментальная система могла работать непрерывно в течение шести месяцев. Это демонстрирует потенциал технологии для длительной эксплуатации без постоянного вмешательства человека.
У двух методов разные области применения. Биологическая 3D-печать лучше подходит для создания сложных архитектурных элементов, а роботизированное распыление — для нанесения материала на поверхности и формирования более крупных конструкций.
Где пригодится строительный материал из песка?
Биоцементирование интересно прежде всего тем, что позволяет создавать твёрдые конструкции без традиционного обжига, требующего большого количества энергии.
Производство обычного цемента связано с нагревом сырья до очень высоких температур. Этот процесс вносит существенный вклад в выбросы парниковых газов строительной отрасли. Поэтому материалы, способные выполнять хотя бы часть функций цемента с меньшими энергозатратами, представляют большой интерес для исследователей.
Новая технология потенциально подходит для изготовления декоративных и архитектурных элементов, панелей и других конструкций, в которых можно использовать формуемый песчаный материал.
Важен и сам способ производства: роботизированное нанесение позволяет создавать сложные поверхности, а 3D-печать даёт возможность получать элементы нестандартной формы без традиционных формовочных операций.
Впрочем, говорить о полноценной замене бетона пока рано. По оценке исследователей, разработанный материал уже может рассматриваться как потенциальная альтернатива строительному раствору, который скрепляет кирпичи и другие элементы кладки. Но его прочности пока недостаточно, чтобы уверенно конкурировать с бетоном, применяемым для несущих конструкций, колонн и фундаментов.
Какие проблемы ещё предстоит решить?
Несмотря на перспективность разработки, до широкого промышленного применения технологии ещё далеко.
Одна из главных проблем связана с образованием аммония — побочного продукта химических реакций в растворе, используемом при биологической 3D-печати. Это вещество токсично, поэтому исследователям необходимо найти эффективный способ его нейтрализации, прежде чем переходить к масштабному производству.
Ещё один важный вопрос — влияние размера песчинок на свойства готового материала. Размер и распределение частиц могут определять плотность структуры, качество минеральных связей и механическую прочность изделия. Учёным предстоит установить, какие характеристики песка обеспечивают наилучший результат.
Наконец, необходимо провести дополнительные испытания долговечности и выяснить, как материал будет вести себя в реальных условиях эксплуатации. Для строительства важна не только первоначальная прочность, но и способность выдерживать длительные нагрузки и воздействие окружающей среды.
Таким образом, биоцементация пока остаётся развивающейся технологией, а не готовой заменой традиционным строительным материалам. Тем не менее исследование ETH Zurich показывает, что бактерии могут стать своеобразными микроинженерами, способными превращать обычный песок в изделия сложной формы.
Если учёным удастся повысить прочность материала и решить проблему побочных продуктов, технология сможет занять свою нишу в архитектуре и строительстве, предложив альтернативный способ производства некоторых элементов зданий с меньшими затратами энергии.
