Produkcja cementu, głównego składnika betonu, odpowiada za ok. 8 proc. światowych emisji CO2 – to więcej niż generuje cały przemysł lotniczy. Kluczowy problem polega na tym, że cement powstaje w procesie wypalania wapienia w bardzo wysokich temperaturach, co zużywa ogromne ilości energii i uwalnia dwutlenek węgla zarówno z paliw, jak i samego surowca.
Czytaj też: Nieznane właściwości betonu w elektrowniach atomowych. Przełomowe odkrycie zmienia wszystko
W dobie walki ze zmianami klimatu, inżynierowie i naukowcy próbują znaleźć sposób na stworzenie materiałów budowlanych, które będą równie wytrzymałe i trwałe, ale znacznie mniej szkodliwe dla środowiska. Jednym z najbardziej obiecujących kierunków badań są tzw. materiały żywe (engineered living materials, ELM) – hybrydy złożone z organizmów, takich jak bakterie czy grzyby, oraz komponentów nieożywionych.
Grzybnia i bakterie – przepis na materiał przyszłości
Zespół badaczy z Montana State University opracował przełomowy materiał na bazie grzybni – plechy stanowiącej ciało grzybów, zbudowanej z wyrośniętej i rozgałęzionej strzępki lub wielu strzępek – oraz bakterii Sporosarcina pasteurii. Grzyb, którego użyto, to Neurospora crassa – gatunek znany ze swojej szybkiej ekspansji i zdolności do przeprowadzania tzw. mikrobiologicznie indukowanej precypitacji węglanu wapnia (Microbially Induced Carbonate Precipitation, MICP). W uproszczeniu: grzybnia w obecności odpowiednich bakterii zamienia piasek i ziemię w twardy, skalisty materiał.
Czytaj też: Poznajcie beton przyszłości. Druk 3D wychwytujący dwutlenek węgla rewolucjonizuje budownictwo
Sporosarcina pasteurii, bakteria wykorzystana wcześniej m.in. do naprawy dziur w księżycowej glebie oraz w ziemskich drogach, potrafi biomineralizować – czyli tworzyć stałe związki mineralne, które wzmacniają strukturę. W połączeniu z grzybnią tworzy materiał, który nie tylko jest twardy i lekki, ale ma też właściwości regeneracyjne – jego mikroorganizmy pozostają aktywne biologicznie przez co najmniej cztery tygodnie.
Jednym z najciekawszych odkryć badaczy był fakt, że przy użyciu grzybni jako rusztowania można kontrolować wewnętrzną architekturę materiału. Jak wyjaśnia główna autorka badania, prof. Chelsea Heveran, udało się odwzorować strukturę przypominającą korową warstwę kości. To oznacza, że materiał może łączyć lekkość z dużą wytrzymałością i sztywnością. Badanie opisane w czasopiśmie Cell Reports Physical Science jest pierwszym, w którym grzybnia została użyta jako rusztowanie dla biomineralizujących organizmów w celu stworzenia ELM. A to dopiero początek – naukowcy planują w przyszłości eksperymentować z innymi wewnętrznymi geometriami, które mogą jeszcze bardziej zwiększyć jego wytrzymałość.
Choć materiał wygląda obiecująco, przed zespołem z Montana State University jeszcze długa droga. Wciąż brakuje danych na temat długoterminowej trwałości tego typu konstrukcji. Wyzwania dotyczą także możliwości produkcji na skalę przemysłową oraz zapewnienia materiałowi odpowiedniej dostępności i opłacalności ekonomicznej.
ELM-y są wciąż drogie i trudne do przechowywania – ich żywe komponenty wymagają odpowiednich warunków wilgotności, temperatury i składników odżywczych, co może stanowić poważne ograniczenie na dużych placach budowy. Naukowcy pracują jednak nad przedłużeniem żywotności komórek i opracowaniem technologii, które pozwolą produkować ten materiał masowo, bez konieczności ciągłego “karmienia” go.
Nie tylko naukowcy z Montany widzą potencjał w grzybni. W Nowym Jorku w 2014 roku zbudowano 12-metrową wieżę Hy-Fi wykonaną z cegieł z grzybni i łusek kukurydzy. Start-upy, takie jak Ecovative, już dziś produkują z grzybni opakowania, panele akustyczne czy meble, promując ideę materiałów w pełni biodegradowalnych, nietoksycznych i opartych na odpadach organicznych. To, co do niedawna było niszą w designie i eksperymentach artystycznych, powoli staje się elementem realnych rozwiązań budowlanych. W przyszłości takie materiały mogą być stosowane nie tylko w domach mieszkalnych, ale również w budownictwie tymczasowym, humanitarnym, a nawet kosmicznym – jako samonaprawiające się komponenty baz księżycowych i marsjańskich.
W Polsce, gdzie budownictwo opiera się niemal wyłącznie na betonie, materiały biologiczne mogłyby znaleźć zastosowanie w projektach proekologicznych – domach pasywnych, instalacjach artystycznych czy jako naturalne izolacje w architekturze zrównoważonej. Obecne wyzwania związane z dostępnością drewna, stali i cementu mogą wręcz przyspieszyć wdrażanie tego typu rozwiązań.