الملخص:
طوّر باحثون في المعهد الفيدرالي السويسري للتكنولوجيا في زيوريخ تقنية جديدة لتصنيع مواد البناء تستخدم البكتيريا الحية لدمج حبيبات الرمل السائبة في مكونات بناء قوية. على عكس إنتاج الأسمنت التقليدي، الذي يستهلك الكثير من الطاقة ويتم حرقه في درجات حرارة عالية، فإن هذه التكنولوجيا، التي تسمى التعزيز الحيوي، يمكنها إكمال تصلب المعادن في درجة حرارة الغرفة، ومن المتوقع أن توفر حلاً أكثر صداقة للبيئة لتصنيع المواد لصناعة البناء والتشييد.
يعد الأسمنت أحد أهم المواد الأساسية في صناعة البناء الحديثة، ولكن إنتاج الأسمنت البورتلاندي التقليدي يتطلب تسخين المواد الخام إلى درجات حرارة عالية، مما يستهلك الكثير من الطاقة وينتج انبعاثات كبيرة من ثاني أكسيد الكربون. ولذلك، فإن العثور على مواد بديلة يمكن أن تقلل من استهلاك الطاقة وانبعاثات الكربون كان دائمًا اتجاهًا مهمًا في مجال أبحاث مواد البناء. الفكرة الأساسية لهذا البحث ليست إعادة تصميم عملية حرق الأسمنت التقليدية، ولكن استخدام الأنشطة الأيضية للكائنات الحية الدقيقة نفسها لتكوين معادن طبيعية بين حبيبات الرمل ودمج الجزيئات السائبة في الأصل في كل بقوة معينة.
وتسمى البكتيريا التي استخدمها فريق البحث Sporosarcina Pasturii. وفي ظل الظروف المناسبة، يمكن لهذه البكتيريا تعزيز تكوين كربونات الكالسيوم. توجد كربونات الكالسيوم على نطاق واسع في المواد الطبيعية مثل الحجر الجيري والطباشير والأصداف. عندما يترسب ويشكل بلورات صغيرة بين حبيبات الرمل، فإنه يعمل بمثابة رابط معدني، حيث يربط حبيبات الرمل معًا لتكوين مادة صلبة ذات قوة معينة.
تُسمى هذه العملية بترسيب كربونات الكالسيوم المستحث ميكروبيًا، أو MICP، وتُعرف أيضًا باسم تقنية التدعيم الحيوي. في السابق، حاول الباحثون استخدامه في مجالات مثل تقوية التربة وتثبيت الأساسات وإصلاح الشقوق الخرسانية. ما يختلف في بحث ETH Zurich هو أنه يحاول معالجة الرمل مباشرة وتحويله إلى مواد بناء مستقلة، بدلاً من مجرد استخدام البكتيريا لتحسين خصائص المواد الموجودة.
اقترح فريق البحث، بقيادة كارين أنتورفيزا بايز، طريقتين للتصنيع. تجمع الطريقة الأولى بين تقنية التدعيم الحيوي والطباعة ثلاثية الأبعاد. وطوّر الباحثون حبرًا حيويًا خاصًا يحتوي على الماء والرمل والبكتيريا الحية والمكونات الكيميائية ذات الصلة. يتمتع الخليط بقوام يشبه الهلام ويمكن تشكيله في أشكال محددة مسبقًا باستخدام معدات الطباعة ثلاثية الأبعاد لإنشاء مكونات بناء معقدة هيكليًا.
بعد الطباعة، يجب غمر المكونات في محلول يحتوي على اليوريا وكلوريد الكالسيوم لمدة ثلاثة أيام تقريبًا. خلال هذه العملية، تعمل البكتيريا على تعزيز تكوين البلورات المعدنية، التي تتجمع تدريجياً مع حبيبات الرمل. بعد ذلك، يتم تجفيف وحدات البناء في درجة حرارة الغرفة لمدة يومين تقريبًا، ولا تظل البكتيريا نشطة، ويتشكل في النهاية هيكل صلب. تستغرق العملية برمتها، من الطباعة إلى المعالجة الكاملة، ما يصل إلى خمسة أيام تقريبًا ولا تتطلب استخدام معدات حرق تقليدية ذات درجة حرارة عالية.
شبه الباحثون العملية بخبز كعكة: حيث تظل المادة المشكلة في البداية طرية وسهلة التشوه، مما يتطلب معالجة لاحقة لتحقيق بنية قوية. الفرق هو أن الخبز التقليدي يعتمد على الحرارة لإكمال المعالجة، في حين تعتمد هذه التكنولوجيا على البكتيريا لتعزيز إنتاج المعادن وإكمال تحول مماثل في درجة حرارة الغرفة.
الطريقة الثانية تستخدم تقنية الرش الآلي. يقوم الذراع الآلي برش الرمل والبكتيريا والمواد اللازمة للتمعدن على السطح المستهدف بالتسلسل، مما يشكل هيكلًا متعدد الطبقات من خلال التراكب المتكرر. أثناء بناء كربونات الكالسيوم، تتجمع طبقات الرمل لتشكل سطحًا صلبًا أو أحد مكونات المبنى. وقد قام فريق البحث بتشغيل النظام بشكل مستمر لمدة ستة أشهر، مما يدل على قدرته على أتمتة العمل وتقليل الاعتماد على التدخل البشري المستمر.
لكل من الطريقتين سيناريوهات قابلة للتطبيق. تعد الطباعة ثلاثية الأبعاد أكثر ملاءمة لتصنيع أجزاء البناء ذات الأشكال المعقدة والأشكال الهندسية المحددة، في حين أن الرش الآلي أكثر ملاءمة لمواد البناء طبقة بعد طبقة على السطح. وقد استخدم فريق البحث هذه التقنية لإنشاء مكونات واجهة المبنى، والتي من المتوقع أن يتم استخدامها في مكونات البناء مثل مرافق التظليل وجدران التقسيم في المستقبل.
ومع ذلك، لا تزال هذه التكنولوجيا بعيدة عن التطبيق التجاري على نطاق واسع. إحدى القضايا المهمة هي المنتجات الثانوية الناتجة عن عملية التصنيع. تنتج المحاليل المعدنية المستخدمة في طرق الطباعة ثلاثية الأبعاد مواد تعتمد على الأمونيوم والتي يمكن أن تكون ضارة بالبيئة إذا لم يتم التعامل معها بشكل صحيح. يحتاج الباحثون إلى إيجاد طرق إعادة تدوير أو تحييد فعالة لزيادة الإنتاج، وإلا فإن الفوائد البيئية لهذه المواد قد تكون محدودة.
تعد قوة المواد أيضًا مشكلة رئيسية يجب حلها. في الوقت الحاضر، يعتقد فريق البحث أن هذا النوع من الملاط الحيوي أقرب إلى الملاط من المواد الهيكلية التي يمكن أن تحل محل الخرسانة الحاملة مباشرة. يستخدم الملاط بشكل أساسي لربط الطوب وملء الفواصل، بينما تستخدم الخرسانة على نطاق واسع في الهياكل الحاملة مثل الأرضيات والأعمدة والأساسات. لاستخدام الإسمنت الحيوي في مجموعة واسعة من مشاريع البناء، هناك حاجة إلى مزيد من التحقق من خصائصه الميكانيكية ومتانته على المدى الطويل واستقراره في ظل ظروف بيئية مختلفة.
بالإضافة إلى ذلك، يؤثر حجم حبيبات الرمل وطريقة ترتيب الحبيبات على خصائص المادة النهائية. لا يزال الباحثون يستكشفون كيفية تحقيق قوة وخصائص هيكلية أكثر استقرارًا من خلال تعديل المواد الخام ومعايير التصنيع. وهذا يعني أن الأبحاث المستقبلية لن تحتاج فقط إلى تحسين عملية التمعدن المستحث بالبكتيريا، ولكن أيضًا إنشاء معايير تصميم المواد ومراقبة الجودة المناسبة لاستخدامات البناء المختلفة.
على الرغم من هذه القيود، يوضح هذا البحث اتجاهًا جديدًا في تصنيع مواد البناء: تحويل المواد الحبيبية الطبيعية إلى مكونات بناء ذات أشكال وخصائص محددة باستخدام الكائنات الحية الدقيقة لتوجيه نمو المعادن بين الجزيئات. إذا كان من الممكن حل مشكلات مثل معالجة المنتجات الثانوية وقوة المواد والإنتاج على نطاق واسع في المستقبل، فمن المتوقع أن يتم تطبيق تكنولوجيا التدعيم الحيوي على إنتاج بعض الملاط التقليدي ومكونات البناء، مما يقلل الاعتماد على عمليات التصنيع عالية الاستهلاك للطاقة.
مقارنة بالاستبدال المباشر للخرسانة التقليدية، فإن الهدف الأكثر واقعية على المدى القصير لهذه التكنولوجيا هو الدخول أولاً في مجالات التطبيق مثل المكونات غير الرئيسية الحاملة ومواد سطح البناء. وتظهر نتائج فريق البحث أن البكتيريا لا يمكنها المشاركة في تقوية التربة وإصلاح المباني فحسب، بل قد تصبح أيضًا أداة لتصنيع مواد بناء جديدة، مما يوفر مسارًا تقنيًا آخر لتقليل استهلاك الطاقة وانبعاثات الكربون في صناعة البناء والتشييد.
التعليقات