Jak działa samonaprawiający się beton?

Unijne strategie polityczne są w coraz większym stopniu ukierunkowane na gospodarkę o obiegu zamkniętym, której siłą napędową są bardziej zrównoważone materiały, technologie, praktyki i zachowania. W ich realizacji pomagają wysiłki mające na celu zmniejszenie ilości niepotrzebnych odpadów, często określane jako „pięć R” od angielskich wyrazów „refuse, reduce, reuse (lub repair), repurpose i recycle”, oznaczających odrzucanie, redukcję, ponowne użycie (lub naprawę), przekształcanie i recykling.

Obecnie naprawa uszkodzeń obiektów infrastruktury fizycznej, takich jak drogi czy budynki, oznacza konieczność wymiany oryginalnych materiałów. Wiąże się to często z wysokimi kosztami finansowymi i środowiskowymi, ale także może zagrażać integralności konstrukcji i pogarszać estetykę obiektów.Harbottle spieszy z wyjaśnieniem: „W toku ewolucji rośliny i zwierzęta wypracowały niezliczoną ilość sposobów na to, by móc wyleczyć się w przypadku urazu. Projektując środowisko zbudowane, możemy się wiele nauczyć od przyrody”.

Na przykład, gdy doznamy złamania kości, wkrótce potem naczynia krwionośne wokół miejsca złamania zwężają się i tworzą skrzep, powstrzymując krwawienie. Miękka tkanka włóknista i chrzęstna zaczynają wtedy tworzyć przypominającą kość strukturę zwaną kostniną. Następnie po obu stronach złamania rozwijają się nowe komórki kostne, które zrastają się ze sobą i wchłaniają kostninę w celu utworzenia nowej kości.

Pracując na Uniwersytecie w Cardiff w Zjednoczonym Królestwie, Harbottle bierze udział w szeregu inicjatyw mających na celu opracowywanie materiałów budowlanych, które wykorzystują procesy biologiczne do zachowania istniejącej infrastruktury, zmniejszając koszty utrzymania i budowy nowych obiektów.

W projekcie GEOHEAL, finansowanym ze środków działania „Maria Skłodowska-Curie”, Harbottle wykorzystał zdolność bakterii do mineralizacji kalcytu, który jest w stanie „naprawiać” naturalne materiały, takie jak wapień i piaskowiec, często używane w budownictwie.

Zastosowana bakteria, Sporosarcina ureae, jest rozsiewana w postaci zarodników wraz z potrzebnymi składnikami odżywczymi. W miarę wzrostu bakterie produkują węglan wapnia, który twardnieje i przybiera formę kryształków kalcytu, które z kolei mogą wiązać się z wapieniem i sklejać ziarna piaskowca.

„Porowate zaprawy murarskie mogą być siedliskiem szeregu aktywnych mikroorganizmów, dzięki czemu ta substancja mogłaby być stosowana za pomocą sprejów, farb lub kapsułek wprowadzanych w pory, naprawiając materiał przy jednoczesnym zachowaniu jego oddychalności”, wyjaśnia Harbottle.

Harbottle odkrył także, że bakterie mogłyby zaoferować rozwiązanie o obiegu zamkniętym. Uśpione bakterie są mieszane z zaprawą, a gdy w murze pojawią się pęknięcia, ulegają przebudzeniu.„Bakterie tworzą swego rodzaju tkankę bliznowatą. Na ile przypomina to regenerację, zależy od materiału”, mówi Harbottle. „Ponieważ w wapieniu znajduje się mnóstwo wapnia i węglanu, prawdopodobnie część nowo powstałego kalcytu będzie zawierać minerały z pierwotnego materiału, przebudowane przez bakterie”.

Jak twierdzi Harbottle, powstała zaprawa powinna być bardzo podobna do oryginalnego materiału, pozwalając na przywrócenie jego właściwości, takich jak wytrzymałość i odporność na warunki atmosferyczne.

Jak zauważa Harbottle, koncepcja samonaprawy jest szeroko stosowana w przypadku innych materiałów, w tym polimerów i asfaltu, a także betonu.

„Według mojej wiedzy badano ją także w metalach, ale w tym przypadku nie wykorzystuje ona bakterii, które są najbardziej odpowiednie w materiałach budowlanych, ponieważ bakterie lepiej sprawdzają się w procesach związanych z produkcją minerałów”, dodaje Harbottle.

Co prawda Harbottle nie chciał zajmować się kwestiami wychodzącymi poza jego specjalizację, jednak zdecydował się przyjrzeć możliwej przyszłości inteligentnych materiałów budowlanych.

„Aby organizm mógł się sam wyleczyć, musi najpierw wiedzieć, że uległ urazowi. Dlatego podczas ostatnich prac przeprowadzonych w Zjednoczonym Królestwie zbadano systemy wykrywania i aktywacji – pozwalające materiałom na wykrywanie uszkodzeń, analizowanie dostępnych możliwości, a następnie decydowanie o tym, co należy zrobić, bez udziału człowieka”, wyjaśnia uczony.

„W przyszłości możliwe byłoby opracowanie całkowicie autonomicznych systemów samonaprawy, jednak musiałyby one zbierać z otoczenia substancje chemiczne i energię niezbędną do wytworzenia środka naprawczego”.Jak na razie bazujące na bakteriach rozwiązanie Harbottle’a jest dalekie od doskonałości. Jedno z głównych wyzwań dotyczy pozyskiwania bakterii – wykorzystane przez Harbottle’a drobnoustroje pochodziły z jego laboratorium, ale aby móc wprowadzić produkt do powszechnego użytku, trzeba by otrzymywać lokalnie bakterie w dużych ilościach i testować je przed użyciem.

Kolejne ograniczenie wiąże się z popytem.

Branża budowlana jest konserwatywna, jeśli chodzi o nowe materiały, co wynika z potencjalnie katastrofalnych konsekwencji, jakie może mieć zastosowanie wadliwych produktów. Harbottle wskazuje także, że w przypadku renowacji zabytkowych obiektów istotne są nie tylko zagrożenia dla bezpieczeństwa, ale także kwestie estetyczne.

„Musimy zgromadzić dowody potwierdzające skuteczność rozwiązania w wielu różnych konstrukcjach, aby zaskarbić sobie zaufanie potencjalnych użytkowników. Przypuszczalnie w pierwszej kolejności zajmiemy się obiektami niemającymi kluczowego znaczenia dla bezpieczeństwa lub elementami niekonstrukcyjnymi, takimi jak chodniki czy fasady”, dodaje Harbottle.

Kliknij tutaj, aby dowiedzieć się więcej o badaniach przeprowadzonych przez Michaela Harbottle''a: Zrównoważone budownictwo i inteligentna ochrona dziedzictwa dzięki bioinżynieryjnym metodom „samonaprawy”