Материали на бъдещето

Живи и енергийно независими

Повишената загриженост относно влагането на твърде много енергия в традиционното производството на строителни материали мотивира изследователи и производители да проучат възможностите за включване на нисковъглеродни, биологични съставки в нови строителни продукти. Разпространените, енергоемки материали като бетон, стомана и алуминий съставляват значителна част от сградите. Заедно, само тези три материала, използвани предимно в строителството, са отговорни за близо една четвърт от годишните глобални емисии на въглероден диоксид. В допълнение, те отнемат значителна част от глобалния годишен бюджет за ресурси. Такива причини водят до необходимост да се експериментира с използването на нови, самоизграждащи се строителни продукти на биологична основа, с по-малък въглероден отпечатък.

Текст: списание Строители

 Парижкото споразумение от 2015г. постави предизвикателна цел всички нации да работят заедно като се борят срещу изменението на климата и произтичащото глобално затопляне. Целта е да се намали потреблението на енергия с 30% до 2030г. В този контекст строителната индустрия играе важна роля и носи огромна отговорност, тъй като към момента силно разчита на изкопаеми материали, които са отговорни за около 40% от всички свързани с енергията емисии от CO₂. В днешно време строителната индустрия е най-ресурсоемкият промишлен сектор, като използва приблизително 40-50% от всички първични суровини.

През предходните две десетилетия акцентът в контекста на устойчивостта в застроената среда беше върху потреблението и генерирането на възобновяема енергия, което беше обхванато в различни сертификати за устойчивост, като LEED, BREAM или DGNB. В последните години обаче, фокусът се разшири като започна да разглежда първичното потребление на материали, както и емисиите на въглеродния диоксид в целия цикъл на конструкциите.

 Така, като възможен подход за постигане на амбициозните цели за намаляване на емисиите от CO₂, се очерта прилагането на възобновяеми, биобазирани материали в застроената среда и замяна на традиционните, обикновено циментови материали. Още в миналото естествените строителни материали, като дървен материал и бамбук, са били широко използвани, но през последните години се появиха жизнеспособни материали, които предоставят нови възможности за строителната индустрия.

Строителни материали, вдъхновени от природата

Новата линия живи материали са технологични продукти, в които са приложени открити в природата решения. Идеята е в тях да се комбинира най-доброто от природата и технологиите. Основната им характеристика е да повтарят функциите и възможностите на живия организъм. Съответно могат да се самовъзпроизвеждат по същия начин както бактериите, да се самоизграждат като коралите или да се самовъзстановяват, подобно на начина, по който клетките на тялото ни заздравяват след порязване или натъртване. В много случаи живите строителни материали включват жива материя, като например бактерии, но това не винаги е така. Като „живи“ се определят и инженерни системи от материали, които не включват живи клетки, но поведенчески са квазиживи, т.е. само показват функции на живи организми, например адаптивност и енергийна самодостатъчност. В този случай се използват сензорни технологии, които придават динамични свойства на системите, помагайки им да се адаптират към промените в околната среда като реагират на външни стимули.

Всички тези продукти, и живи и квазиживи, са вдъхновени от природата като се самоподдържат и са енергийно неутрални. Те отговарят на изискванията на хората за ориентирани към бъдещето екологични и енергийноефективни технологии. Тук по-специално ще разгледаме строителните продукти, в които действително има включени живи функциониращи биологични единици. Самите те генерират материя и енергия и по този начин поставят началото на нова концепция в производството на строителни материали – с малък или дори отрицателен въглероден отпечатък. Натрупаните знания в микробиологията и техниките на синтетичната биология позволяват на пазара да навлязат иновативни строителни биоматериали. Уникалното при тях е, че могат да се настройват. Вече могат да се вграждат уникални свойства в материалите на молекулярно ниво. Направлението се разглежда като крайъгълен камък в революцията на строителните продукти. Ето и някои конкретни решения в това направление.

Жив цимент

Бетонът е един от най-широко използваните строителни материали в света. Бетонът се формира чрез комбиниране на фини и груби частици от материали, като варовик и пясък, известни като инертни материали, със свързващ материал - цимент. Портланд циментът, кръстен на камъка от остров Портланд в Дорсет, Обединеното кралство, е изобретен от Джоузеф Аспдин и патентован през 1824г. Изработен от фино смлян, нагрят варовик и глинести минерали, комбинирани с гипс, той все още е най-широко използваната форма на цимент днес. 

Проблем с производството на цимент е, че той е силно замърсяващ и се произвежда в такова изобилие, че представлява 8% от годишните въглеродни емисии по света и използва около 10% от световното потребление на вода. Бетонът като цяло е доста издръжлив материал, но с течение на времето може да се напука и вградената стоманена армировка може да корозира, особено във влажни условия. Освен това е обект на увреждане от екстремни температури, химикали и ерозия от времето. 

За да противодействат на някои от тези негативни ефекти, няколко компании използват силата на безвредни, екстремофилни бактерии, като Sporosarcina pasteurii и Bacillus pseudofirmus, за ефективно създаване на самовъзстановяващ се бетон. Тези жилави бактерии се срещат естествено в изключително алкални езера близо до вулкани и произвеждат свой собствен варовик. Техните спори могат да живеят 200 години и да издържат на температури над 200°С.

Микробиологът Хендрик Йонкерс от Технологичния университет в Делфт, Нидерландия, решава да експериментира с добавянето на тези бактерии към стандартна бетонна смес, за да направи бетона самоподдържащ се. Това доведе до създаването на нидерландската компания Green Basilisk през 2015г., която изведе продукта на пазара. Надарен със способността да се възстановява от повреди по същия начин, както кожата ни се регенерира от драскотини и ожулвания, този нов продукт, наречен Basilisk, е добавка към нормалния бетон. Способността за самовъзстановяване е резултат от вграждането в бетона на бактерии Bacillus, под формата на спори. Бактериалните спори са издръжливи екстремофили, способни да издържат на топлина, суша и студ в продължение на години вътре в бетона.

Самоизграждане на бетона

Как точно бактериите знаят кога да поправят щетите? Обяснението се крие във водата. Когато се появи пукнатина в бетона, обикновено в нея навлиза влага. Това активира спорите, което води до растеж на микроорганизмите. Бетонът дава храна за бактериите под формата на калций и нитрати. Активираните бактерии превръщат тези вещества във варовик, запечатвайки пукнатината, т.е. когато са изложени на вода, бактериите започват да растат и да произвеждат варовик, който стабилизира структурата, намалява свиването и я прави по-водоустойчива.

 Според Марк Брантс, маркетинг мениджър на компанията, добавянето на Basilisk в бетона ще елиминира появата на пукнатини в конструкциите до 50%, което може да се изчисли като спестявания на 30кг гориво за жизнения цикъл на всеки кубичен метър от конструкцията. Чрез удължаване на живота на бетона, Green Basilisk може да намали общото количество бетон, което се използва, и да направи материала по-устойчив. Всичко това води до намаляване потреблението на енергия, на изкопаеми ресурси и вода, като минимизира емисиите от СО₂.

Семейството на бетони с бактериални спори се разраства

Друг пример е използването на бактерии за „отглеждане“ на биоциментови модули BioBasedTiles . Американският производител на биоструктурен цимент Biomason наскоро се обедини с европейската компания StoneCycling, специализирана в намаляване на отпадъците от строителството, за да създаде биоплочки. Продуктът се състои от 15% биоцимент - свързващо вещество, което произвежда материал чрез бактерии. В процеса, наподобяващ нарастването при коралите, освен бактерии, се използват пясък и минерални отпадъци от StoneCycling, като гранитен прах. Формованите плочки се втвърдяват до пълна здравина при околни температури. Това премахва необходимостта от високи температури за изпичане и съответно минимизира използването на изкопаеми горива и отделянето на СО₂ по време на производствения процес.

Резултатът е плочка с почти нулев въглероден отпечатък, тъй като емисиите при производство на биоцимент представляват само 5% от тези при конвенционалния цимент. Освен това, с влагането в биоплочите на рециклирани и повторно усвоени материали се намалява обемът на отпадъците от строителство и разрушаване. Според производителя, тези плочки са 3 пъти по-здрави и 20% по-леки от типичните бетонни плочи. Изделията също така се втвърдяват за 72 часа, в сравнение с 28 дни за конвенционален цимент.

Биобетон с микроводорасли

 Още един американски производител - Prometheus Materials, също възприема биобазиран подход за подобряване на екологичните характеристики на цимента. Компанията произвежда органичен биокомпозит като използва метод, разработен от Университета на Колорадо в Боулдър. В този случай активният агент са микроводорасли, добавени към пясъчна смес, която производителят излива във форми на бетонни блокове. Водораслите свързват насипния материал, превръщайки го в трайна субстанция, наподобяваща корал. Този жив, базиран на водорасли, строителен материал използва два естествени механизма за улавяне и съхраняване на CO₂ в материална форма: фотосинтеза (абсорбцията и съхранението на CO₂ по време на растежа на водораслите) и карбонатна минерализация (CO₂ реагира с метал, за да създаде минерал по време на процеса на втвърдяване).

 В случая биологичният свързващ агент, наречен биоцимент, замества портланд цимента. Лорен Бърнет, съосновател, президент и главен изпълнителен директор на компанията споделя, че са открили начин да ускорят процеса на биоциментиране и да създадат свързващ агент, подобен на материала, който коралите използват за изграждане на рифове и стридите за генериране на черупки. Приложено към концепцията, в която сградите функционират като дървета през целия си живот, това решение за улавяне на CO₂, пречистване на въздуха и регенериране на околната среда чрез биобетон, може да се използва в различни строителни приложения, формиращи основата на нова икономика за отстраняване на въглероден диоксид.

 Производителят твърди, че при производството на сегашните му бетонни блокове се отделят 90% по-малко емисии на CO₂ в сравнение с традиционните циментови модулни блокове и че подобренията в производствената ефективност и снабдяването със суровини ще намалят още повече въздействието върху околната среда.

Микробна целулоза

Нидерландското студио за изследване на материали и продуктов дизайн Studio Lionne van Deursen представи възможностите на новоразработения материал от бактериална целулоза. Наричан още микробна целулоза, продуктът представлява плътна мрежеста субстанция, отглеждана от бактерии. Материалът е хидрофилен, което означава, че естествено задържа вода и има кристална структура с висока механична якост. Бактериалната целулоза предлага обещаващи свойства за различни приложения, сред които интериорният дизайн. Продуктът е биоразградим, здрав, има голяма гъвкавост и може лесно да се оформя и сгъва във всяка желана форма. С помощта на проста техника на сгъване от него могат да бъдат създадени сложни релефни повърхности и триизмерни обекти. Оформеният лист може да се разширява и свива и да се превръща в разнообразни динамични обекти.

Биокомпозит с гъбен мицел

За основателите на лондонското студио Blast Studio гъбите дават богати възможности за дизайн. Фирмата изобретява продукта Tree Column – самоизграждащи се структури във формата на дървовидни колони, като използва биокомпозитна суровина, съставена от гъбни мицели и чаши за кафе от рециклирана хартия, разположени в последователни слоеве. Със своята вълнообразна форма колоната осигурява идеалния климат за растеж на гъбички, задържайки влагата в междинните си пространства и предпазвайки мицела от въздушни потоци. Така мицелът може да се развие до максималния си капацитет в тези топли и влажни пространства.

Това означава, че получената с 3D печат дървовидна колона, е жива: хартията е хранителна суровина за растящия мицел, който в крайна сметка я изяжда изцяло. Получената коренова структура е идеална среда за отглеждане на различни видове гъби, които могат да бъдат избрани както по механични, така и по хранителни свойства. С това компанията е създала алгоритъм, който генерира материални форми с различни приложения от растежа на мицела.
Подобно на другите интериорни биобазирани живи продукти, споменати по-горе, Tree Column представлява бъдеще за дизайна, което е не само по-щадящо към Земята, но и интригуващо трансдисциплинарно - може да се използва в области като архитектура, интериорен дизайн, селско стопанство, аквакултури и гастрономия.

Предизвикателства и перспективи

Съществуват редица предизвикателства, които трябва да бъдат преодолени, преди компаниите широко да започнат да продават живи биоматериали за строителния бизнес по света. Като начало повечето страни изискват независимо сертифициране за спазване на разпоредбите за безопасност. Постигането на това може да отнеме време и усилия, в зависимост от държавата. Друго предизвикателство е увеличаването на мащаба в производството. Като цяло новите материали се правят първоначално в малък мащаб и преминаването към широкомащабно производство може да бъде трудно. Комуникацията също е ключова. Понякога може да е под въпрос потребителите в строителната индустрия да приемат иновативни живи биоматериали. Ценообразуването също може да бъде проблематично, тъй като строителната индустрия е силно движена от разходите. Ако новият материал е по-скъп от вече наличните, е малко вероятно да бъде закупен.

Загрижеността за глобалното затопляне и замърсяването накара и политици и бизнеса да осъзнаят колко е важно индустриите да станат по-екологични и по-устойчиви. Всичко това има положителен ефект върху компаниите, работещи в строителната индустрия, тъй като организациите зад големите строителни проекти искат те да бъдат по-екологични и по-устойчиви. Именно тези тенденции очертават добра перспектива сградите на бъдещето да включват именно живи строителни продукти. Такъв е и случаят при идеята да се изграждат сгради, които да функционират като дървета.

Сградите ще могат да функционират като дървета

Какво ще стане, ако сградите могат да действат като дървета – да улавят въглерод, да пречистват въздуха и да регенерират околната среда? Почерпила вдъхновение от природата, Urban Sequoia е нова архитектурна концепция, която може да се приложи днес, поставяйки началото на нова икономика за премахване на въглерода и устойчиво бъдеще за градовете. Представена за първи път на Конференцията на ООН за изменението на климата през 2021г. в Глазгоу, холистичната концепция, вдъхновена от естествените екосистеми, обединява устойчив градски дизайн, иновации в материалите и нововъзникващи технологии във функционирането на сградите. Концепцията показва сградите в нов контекст, а именно да абсорбират въглерод с безпрецедентна скорост.

Първата стъпка към постигането на тази цел в широк мащаб е направена с прототипа на Skidmore, Owings & Merrill (SOM) на небостъргач, който може да неутрализира 1000 тона въглерод годишно, което се равнява на 48500 дървета. Прототипът включва обичайни устойчиви материали като бамбук и дървен материал, в допълнение към новоразработените природни строителни продукти BioBrick. Това е хибриден строителен продукт, който включва фотосинтезиращи соленоводни бактерии, способни да поглъщат въглероден диоксид и да се регенерират след увреждане.

Основното предложение на Urban Sequoia е, че застроената среда може да абсорбира въглерод и сградите да се трансформират в решения. Това е жизнеспособен подход, който може да има широкообхватно въздействие, с потенциал за създаване на кръгова икономика, която абсорбира въглерод. В допълнение, интегрираните водорасли чрез фотосинтезата изграждат биомаса, която може да се използва като източник на биогориво за захранване на отоплителни системи или коли.