Produkcja konwencjonalnego betonu odpowiada za około 8 proc. globalnych emisji dwutlenku węgla. To więcej niż wprowadza do atmosfery cały przemysł lotniczy.
Żywy materiał zamiast emisyjnego betonu
Dlatego naukowcy coraz intensywniej poszukują alternatyw. Jednym z najciekawszych kierunków badań są tzw. żywe materiały budowlane (ang. engineered living materials, ELMs), które zawierają żywe komórki – najczęściej grzybnie i bakterie – zdolne do samonaprawy i reakcji na otoczenie.
Zespół prof. Chelsea Heveran z Montana State University opracował materiał, którego strukturę nośną tworzy grzybnia Neurospora crassa, a sztywność nadaje biomineralizacja przeprowadzana przez bakterie Sporosarcina pasteurii.
Bakterie te przekształcają mocznik i wapń w węglan wapnia – ten sam związek, z którego zbudowane są muszle i kości. „Zainspirowała nas struktura kości – lekka, ale niezwykle wytrzymała” – mówi Heveran w rozmowie z magazynem „New Scientist”.
W badaniach opublikowanych w „Cell Reports Physical Science” naukowcy wykazali, że stworzone przez nich struktury przypominające mikroarchitekturę kości potrafią zachować żywotność przez co najmniej cztery tygodnie.
Wcześniejsze materiały biologiczne traciły te właściwości po kilku dniach. „To istotny krok w kierunku konstrukcji, które będą mogły same się naprawiać i dostosowywać do środowiska” – komentuje Heveran dla Smithsonian Magazine.
Ocieplenie domów z… grzybów
Zespół nie jest jednak jedynym, który prowadzi prace nad podobnymi materiałami, a zastosowanie w budownictwie mogą znaleźć nawet grzyby znane z naszej kuchni. Równolegle badacze z University of British Columbia testują grzyby jadalne, takie jak boczniaki, jako nośnik materiałów konstrukcyjnych. Celem ich prac jest stworzenie izolacji, tynków i paneli ściennych, które będą nie tylko biodegradowalne, ale też regulować temperaturę i oczyszczać powietrze.
Mycelium, czyli grzybnia, to sieć mikroskopijnych nitek (strzępków), które naturalnie występują w glebie i rozkładają materię organiczną. W laboratorium badacze z zespołu prof. Heveran przekształcili je w rusztowanie, które następnie biomineralizowano – albo przez działanie samego grzyba (to tzw. proces FICP), albo przez bakterie (tzw. proces BICP).
Największą sztywność uzyskano w przypadku rusztowań mineralizowanych bakteryjnie: były one aż 632 proc. sztywniejsze od tych utwardzanych wyłącznie przez grzybnię.
Ważną cechą nowego materiału jest również precyzyjna kontrola tego, jak formuje się jego mikrostruktura. Badacze stworzyli tzw. struktury osteonalne – koncentryczne pierścienie przypominające budowę kości. To nie tylko zwiększa wytrzymałość, ale może też pozwolić na transport substancji odżywczych wewnątrz materiału.
Biomateriały w budownictwie i kosmosie
Takie badania toczą się także w Europie. Dr Kunal Masania z Delft University of Technology prowadzi prace nad „żywymi” materiałami do zastosowań w przemyśle lotniczym.
Tworzy kompozyty z grzybów i drewna, które mogą same się regenerować i dostosowywać do obciążeń mechanicznych.
Moim celem jest wprowadzanie magii do inżynierii – tworzenie struktur, które żyją i reagują jak organizmy
Jego zespół opracował nową metodę druku 3D, która pozwala na tworzenie struktur z żywego hydrożelu zawierającego grzybnię. Docelowo tego typu materiały mogłyby być wykorzystywane nie tylko w budownictwie ziemskim, ale też przy tworzeniu habitatów w kosmosie, gdzie wykorzystanie lokalnych surowców i samonaprawa są kluczowe. Niektóre plany budowy stałej bazy księżycowej zakładają, że do jej stworzenia wykorzystane miałyby być właśnie „żywe” materiały budowlane.
Żywa powłoka i naturalne zabezpieczenie
Inny projekt UE – ARCHI-SKIN – prowadzony przez dr Annę Sandak z Uniwersytetu Primorska (Słowenia), skupia się na tworzeniu żywej powłoki ochronnej z grzybów. Celem jest zastąpienie syntetycznych farb i środków biobójczych naturalnym biofilmem, który chroni powierzchnie z betonu, plastiku czy metalu. „Dodajemy do materiałów nowy wymiar – życie” – mówi Sandak.
Powłoka jest testowana pod kątem trwałości, koloru i estetyki. W przyszłości ma być łatwa do aplikacji – natryskiwana, malowana lub nakładana wałkiem, przez co ich stosowanie nie różniłoby się niczym od wykorzystywania konwencjonalnych tynków czy farb. Według badaczki pierwsze zastosowania komercyjne mogą nastąpić jeszcze przed 2030 r.
Grzyby w budownictwie: zagrożenie czy szansa?
Choć grzyby często postrzegane są jako zagrożenie dla budynków – niszcząc drewno czy tynki – badacze pokazują, że odpowiednie gatunki mogą być nie tylko nieszkodliwe, ale wręcz pożyteczne. „Używamy dobrych grzybów, by powstrzymać złe” – tłumaczy Sandak. Jej organiczne powłoki mogłyby powstrzymywać rozwój zagrażających zdrowiu ludzi pleśni.
Organizmy wykorzystywane w opisywanych projektach – jak Sporosarcina pasteurii i Neurospora crassa – są niepatogenne i powszechnie występujące w naturze. Mają też duży potencjał: są odporne na trudne warunki, szybko rosną, i mogą być uprawiane na pożywce stworzonej z materiałów odpadowych, takich jak trociny czy słoma.
Dzięki temu tworzenie nowoczesnych, żywych materiałów budowlanych mogłoby dodatkowo przyczynić się do rozwiązania problemu z utylizacją organicznych odpadów, które w procesie rozkładu produkują groźny dla klimatu metan.
Żywe materiały budowlane wciąż mają ograniczenia – nie zastąpią betonu w każdym zastosowaniu. Jednak ich zdolność do samonaprawy, biodegradacji i przystosowania do środowiska może zrewolucjonizować przyszłość budownictwa. „To dopiero początek. Uczymy się, jak projektować materiały, które są dynamiczne, elastyczne i naprawdę ekologiczne” – podsumowuje Nicholas Lin z University of British Columbia.
Jak mówi dr Anna Sandak: „Chcemy uczynić nasz świat lepszym miejscem”.
