Bakterie potrafią spajać ziarna piasku w trwałe elementy architektoniczne – informuje pismo „Biotechnology Design”.
Produkcja cementu jest jednym z głównych źródeł emisji dwutlenku węgla (CO2) w branży budowlanej. Naukowcy poszukują alternatywnych sposobów produkcji cementu bądź materiałów, które byłyby w stanie go zastąpić.
Dr Karen Antorveza Paez z Politechniki Federalnej w Zurychu (ETH Zurich), zamiast wypalać skały w temperaturze przekraczającej 1000 st. C, wykorzystuje bakterie do spajania ziaren piasku w trwałe elementy architektoniczne.
„Wykorzystujemy bakterie do wytworzenia swego rodzaju mineralnego kleju” – wyjaśniła Antorveza Paez. -„Gdy określone szczepy bakterii zostaną połączone z piaskiem lub innymi drobnymi cząsteczkami, spajają te ziarna w zwartą strukturę, zbudowaną z wzajemnie zazębiających się, mikroskopijnych kryształów kalcytu”.
Proces ten nazywany jest mikrobiologicznie indukowanym wytrącaniem kalcytu (ang. microbiologically induced calcite precipitation – MICP) lub po prostu biocementacją. Nie jest to zjawisko nowe: wykorzystywane w tym procesie bakterie Sporosarcina pasteurii są przedmiotem badań od wielu lat, m.in. w kontekście stabilizacji luźnego podłoża.
Znajdują one również zastosowanie w pracach nad tzw. „samonaprawiającym się” betonem – dzięki wprowadzeniu zarodników bakterii pęknięcia w materiale mogą samoistnie się zasklepiać.
Innowacja wprowadzona przez Antorvezę Paez polega na sposobie kontrolowania procesu: nie chodzi o dodatek do istniejących materiałów budowlanych, ale o samodzielny materiał architektoniczny.
Choć od dawna wiadomo, że w odpowiednich warunkach bakterie potrafią spajać piasek w trwałe obiekty, brakowało procesów produkcyjnych, które pozwoliłyby kontrolować te zjawiska zgodnie z potrzebami i wykorzystywać je do tworzenia elementów architektonicznych.
W ramach pracy doktorskiej przeprowadzone zostały trzy badania naukowe, które opisują dwie odmienne metody produkcji. W przypadku pierwszej z nich – druku 3D z wykorzystaniem biocementu – zespół opracował „bio-tusz” z żelu na bazie wody oraz naturalnych substancji, takich jak alginian i guma ksantanowa, a także piasku i żywych bakterii. Podobnie jak w przypadku tradycyjnych mas stosowanych w druku 3D, bio-tusz można wydrukować w formie określonej struktury. Następnie wydrukowany obiekt zanurza się w kąpieli zawierającej mocznik i chlorek wapnia.
Na tym etapie do pracy przystępują bakterie, które za pomocą enzymu zwanego ureazą rozkładają mocznik. Reakcja ta prowadzi do uwolnienia jonów węglanowych oraz – jako produktu ubocznego – amoniaku. Węglany łączą się z chlorkiem wapnia obecnym w roztworze, tworząc węglan wapnia, czyli wapień – ten sam minerał, z którego zbudowane są muszle małży czy kreda.
Wapień powstaje wszędzie tam, gdzie wewnątrz wydrukowanego obiektu znajdują się bakterie. Pomiędzy ziarnami piasku tworzą się mikroskopijne kryształy, które „zazębiają się” ze sobą. Nie jest to klej w tradycyjnym rozumieniu, lecz sieć połączonych ze sobą kryształów mineralnych, które mechanicznie utrzymują ziarna razem.
Cały proces trwa od dwóch do pięciu dni, w zależności od tego, jak dużą wytrzymałość ma osiągnąć dany element architektoniczny. Wymaga to codziennej wymiany kąpieli mineralizującej, aby bakterie miały stały dostęp do substancji niezbędnych do tworzenia wapienia. Na koniec obiekt pozostawia się do wyschnięcia. Gdy to nastąpi, struktura przekształca się w twardy materiał mineralny, a bakterie przestają być aktywne.
„Przypomina to pieczenie ciasta” - wyjaśniła Antorveza Paez. –„Mamy masę, która jest jeszcze bardzo plastyczna i delikatna – dopiero »piekarnik« nadaje jej trwałą formę”. Rolę piekarnika pełnią bakterie: stopniowo utwardzają wydrukowaną strukturę, aż stanie się twarda, spójna i sucha – a wszystko to w temperaturze pokojowej, bez użycia jakichkolwiek źródeł ciepła.
Metoda posłużyła już między innymi do stworzenia elementu fasady. Może znaleźć zastosowanie na przykład w konstrukcjach chroniących przed słońcem lub jako ścianka działowa.
Drugim sposobem wykorzystania biocementu w architekturze jest zrobotyzowane natryskiwanie. W tej technice badacze wyeliminowali etap pośredni, jakim jest kąpiel zanurzeniowa. Zrobotyzowane ramię nanosi na powierzchnię – w powtarzalnych cyklach i określonej kolejności – bakterie, substancje mineralizujące oraz piasek, budując strukturę warstwa po warstwie. Proces ten inspirowany jest stromatolitami – warstwowymi formacjami skał osadowych, które powstają w naturze, gdy mikroorganizmy przez długi czas odkładają minerały.
Podczas Biennale Architettura 2025 w Wenecji proces ten był prowadzony nieprzerwanie przez sześć miesięcy, dzięki czemu zwiedzający mogli osobiście obserwować jego efekty. „Udowodniliśmy, że cały proces biocementacji można zautomatyzować” – podkreśliła Antorveza Paez.
Obie metody wzajemnie się uzupełniają: „Drukowanie jest bardziej ukierunkowane na elementy architektoniczne, podczas gdy metoda natryskowa lepiej sprawdza się w przypadku powierzchni” – wyjaśniła Antorveza Paez. W procesie druku główny nacisk położono na inżynierię materiałową – czyli na to, który bio-tusz sprawdza się najlepiej i w jaki sposób można go wykorzystać w druku. W metodzie natryskowej kluczowe znaczenie miało samo urządzenie oraz sposób sterowania trzema strumieniami materiałów. Metoda natryskowa wymaga jeszcze bardziej szczegółowych badań nad właściwościami mechanicznymi, na przykład rozmieszczeniem ziaren i spoiwa wewnątrz gotowego obiektu.
Obecnie architektka pracuje nad trzecim projektem, poświęconym wpływowi biocementacji na środowisko oraz poszukiwaniu odpowiednich rozwiązań w tym zakresie. Amoniak – produkt uboczny reakcji zachodzącej z udziałem bakterii i kąpieli mineralizującej – jest bardzo szkodliwy dla środowiska.
Badaczka przyznaje, że na obecnym etapie biocement przypomina bardziej zaprawę niż beton. Porównanie to dobrze obrazuje, jak wiele pracy badawczej jest jeszcze potrzebne. Receptura betonu – określająca, jakie ziarna (o jakich wymiarach) i w jakich proporcjach należy ze sobą połączyć – była udoskonalana przez ponad sto lat i proces ten trwa do dziś. W dziedzinie biocementacji prace dopiero nabierają tempa: choć wiadomo, że bakterie można – w założeniu – łączyć z kruszywem o określonej ziarnistości, to kwestia tego, jak wykorzystać ten proces do wytworzenia trwałego i możliwie najbardziej stabilnego materiału, pozostaje przedmiotem badań. „Najważniejsze pytanie nie brzmi już, czy biocement działa, lecz w jakim stopniu można sterować jego właściwościami” – podsumowała Antorveza Paez.
Paweł Wernicki(PAP)
pmw/ zan/
