Znanstveniki so ustvarili živi beton

Avtor izvirnega besedila: Amos Zeeberg

Vir: https://www.nytimes.com/2020/01/15/science/construction-concrete-bacteria-photosynthesis.html?fbclid=IwAR0m7LZK76O_mhR4VKSNcXm2SIb4A4L9Y4vZWs8CDLWbhBEoAyx0o85V48I

»Frankensteinov material«

... v katerem mrgoli fotosintetskih mikrobov in ki je iz njih tudi narejen. In zna se razmnoževati.

Wil Srubar (levo), gradbeni inženir na Univerzi Kolorado v Boulderju, in Sarah Williams, študentka inženirstva materialov, držita opeki iz gradbenega materiala, izdelanega iz cianobakterij in drugih snovi.

Graditelji že stoletja izdelujejo beton na približno enak način: trde snovi, na primer pesek, zmešajo z različnimi vezivi in upajo, da bo mešanica dolgo ostala trdna in toga.

Interdisciplinarna skupina znanstvenikov z Univerze Kolorado v Boulderju je zdaj ustvarila povsem drugačno vrsto betona: takšnega, ki je živ in se zna celo razmnoževati.

Minerali v novem materialu se ne odlagajo po kemijski poti, ampak s pomočjo cianobakterij, razširjene skupine mikrobov, ki energijo pridobivajo s fotosintezo. Fotosintetski proces veže ogljikov dioksid, medtem ko se pri proizvodnji običajnega betona sproščajo ogromne količine toplogrednih plinov.

Fotosintetske bakterije dajejo betonu še eno nenavadno lastnost: zeleno barvo. »Res je videti kot Frankensteinov material,« je povedal Wil Srubar, gradbeni inženir in vodja raziskovalnega projekta. (Ko se material posuši, zelena barva zbledi.)

Tudi drugi znanstveniki so se že ukvarjali z vnosom biologije v beton, predvsem z betonom, ki zna sam zaceliti svoje razpoke. Po besedah avtorjev je glavna prednost novega materiala v tem, da bakterij ne dodajajo običajnemu betonu, torej v neprijazno okolje, ampak so svoj postopek zasnovali okoli bakterij samih: doseči, da ustvarjajo beton, in jih ohraniti pri življenju za poznejšo uporabo.

Novi, živi beton

... opisan v reviji Matter, »predstavlja novo in razburljivo skupino nizkoogljičnih, načrtovanih gradbenih materialov,« je povedala Andrea Hamilton, strokovnjakinja za beton na Univerzi Strathclyde na Škotskem.

Pri razvoju živega betona so znanstveniki cianobakterije najprej poskusili vnesti v mešanico tople vode, peska in hranil. Mikrobi so zlahka vsrkavali svetlobo in začeli proizvajati kalcijev karbonat, ki je postopoma povezoval zrna peska. Postopek pa je bil počasen, Darpa, špekulativna raziskovalna veja ministrstva za obrambo in financer projekta, pa je želela, da gradnja poteka zelo hitro. Nuja in srečno naključje sta tako pripeljala do iznajdbe.

Lok iz živih gradbenih materialov v laboratoriju dr. Srubarja

Dr. Srubar je pred tem delal z želatino, živilsko sestavino, ki po raztapljanju v vodi in ohlajanju med svojimi molekulami ustvari posebne vezi. Pomembno je, da jo je mogoče uporabljati pri zmernih temperaturah, prijaznih do bakterij. Predlagal je, naj želatino dodajo za utrditev matrice, ki jo tvorijo cianobakterije, in ekipo je zamisel pritegnila.

Znanstveniki so v lokalni trgovini kupili želatino znamke Knox in jo raztopili v tekočini z bakterijami. Ko so mešanico vlili v kalupe in jo ohladili v hladilniku, je želatina ustvarila svoje vezi. »Povsem enako kot pri pripravi želeja Jell-O,« je povedal dr. Srubar. Želatina je dala trdnejšo strukturo in sodelovala z bakterijami, s čimer je živemu betonu pomagala rasti močneje in hitreje.

V približno enem dnevu je mešanica ustvarila betonske bloke v obliki kateregakoli kalupa, ki ga je ekipa uporabila, vključno z dvopalčnimi kockami, bloki v velikosti škatle za čevlje in kosi strešne kritine z ojačitvami in izrezi. Posamezne dvopalčne kocke so bile dovolj trdne, da je lahko človek stal na njih, čeprav je material v primerjavi z običajnim betonom šibkejši. Bloki v velikosti škatle za čevlje so pokazali potencial za resnično gradnjo.

Prvi poskusi

»Ko smo s tem sistemom prvič izdelali veliko konstrukcijo, nismo vedeli, ali bo delovalo; s te majhne velikosti smo prešli na to veliko opeko,« je povedala Chelsea Heveran, nekdanja podoktorska raziskovalka v ekipi, danes inženirka na Državni univerzi v Montani in glavna avtorica študije. »Potegnili smo jo iz kalupa in jo držali v rokah. Bila je čudovita, živo zelena, ob strani pa je pisalo ‚Darpa‘.« (Kalup je nosil ime financerja projekta.) »Prvič smo dosegli merilo, kakršnega smo si predstavljali, in bilo je resnično razburljivo.«

Ko je ekipa majhne vzorce prinesla na redno srečanje s predstavniki Darpe, so bili navdušeni, je povedal dr. Srubar: »Vsak si je želel enega postaviti na svojo mizo.«

Pri hranjenju v razmeroma suhem zraku in sobni temperaturi bloki največjo trdnost dosežejo v nekaj dneh, bakterije pa postopoma začnejo odmirati. A tudi po nekaj tednih so bloki še vedno živi; ko jih znova izpostavijo visoki temperaturi in vlagi, se številne bakterijske celice obnovijo.

Ekipa lahko vzame en blok, ga prereže z diamantno konico, eno polovico vrne v topel rezervoar z dodatnimi surovinami, zmes vlije v kalup in znova začne ustvarjati beton. Vsak blok lahko tako da tri nove generacije, torej osem potomcev.

Ministrstvo za obrambo zanima, kako bi sposobnost razmnoževanja teh »LBM«, torej živih gradbenih materialov, izkoristili za gradnjo na odročnih ali nerodovitnih območjih. »Saj ne želite v puščavo voziti velikih količin materiala,« je povedal dr. Srubar.

Prednost blokov je

... da so izdelani iz različnih lahko dostopnih materialov. Večina betona zahteva naravni pesek iz rek, jezer in oceanov, ki ga po svetu primanjkuje, predvsem zaradi ogromnega povpraševanja po betonu. Novi živi material ni tako izbirčen. »Nismo vezani na določeno vrsto peska,« je povedal dr. Srubar. »Uporabimo lahko tudi odpadne materiale, na primer mleto steklo ali reciklirani beton.«

Raziskovalna ekipa dela na tem, da bi bil material bolj praktičen: krepi beton, povečuje odpornost bakterij proti izsuševanju, spreminja razporeditev materialov tako, da bi jih bilo mogoče shranjevati plosko in preprosto sestaviti kot mavčno ploščo, ter išče drugo vrsto cianobakterij, pri katerih dodajanje želatine ne bi bilo potrebno.

Dr. Srubar je povedal, da bi orodja sintezne biologije možnosti močno razširila: na primer na gradbene materiale, ki znajo zaznati strupene kemikalije in se nanje odzvati, ali ki zasvetijo in opozorijo na poškodbo konstrukcije. Živi beton bi lahko koristil v okoljih, ki so bolj neprizanesljiva od najbolj suhih puščav, na primer na drugih planetih, kot je Mars.

»Gradbenih materialov ni mogoče prepeljati v vesolje,« je dejal dr. Srubar. »S seboj jemljemo biologijo.«