Betono problema sprendžiama kitaip: mikroorganizmai gali prailginti jo tarnavimo laiką
Betonas – vienas paradoksaliausių šiuolaikinio pasaulio medžiagų. Jis laiko tiltus, tunelius, daugiabučius ir ištisus miestus, tačiau turi silpnąją vietą, kuri nuolat primena apie save: jis trūkinėja. Kartais nuo apkrovų, kartais dėl susitraukimo ar džiūvimo, o vėliau smulkūs įtrūkimai tampa vartais drėgmei, druskoms ir korozijai. Dėl to jau ne vienerius metus vyksta lenktynės ne tik dėl tvirtesnio betono, bet ir dėl tokio, kuris gebėtų „užsandarinti“ savo pažeidimus.
Vienas įdomiausių šios krypties sprendimų – bakterijos. Idėja skamba beveik pernelyg keistai, kad veiktų: į statybinę medžiagą įmaišomi mikroorganizmai, galintys išgyventi stipriai šarminėje aplinkoje. Kai betone atsiranda įtrūkis ir į jį patenka vanduo bei oras, bakterijos pradeda gaminti kalcio karbonatą. Šis mineralas gali užpildyti mikroskopines ertmes ir suformuoti savotišką biologinį „remonto“ sluoksnį.
Tai dar nėra mokslinės fantastikos betonas, kuris po valandos atrodo kaip naujas. Greičiau – medžiaga, turinti gudrų pirmosios pagalbos mechanizmą. Vietoj laukimo, kol nedidelis defektas virs brangiai kainuojančia problema, jis bando reaguoti anksčiau ir pristabdyti tolesnį irimą. Turint omenyje, kad cemento ir betono gamyba sudaro reikšmingą pasaulinių CO2 emisijų dalį, konstrukcijų tarnavimo laiko ilginimas gali būti ne mažiau svarbus nei visiškai naujų mišinių kūrimas. Skaičiuojama, kad betonas sudaro apie 8 proc. pasaulio emisijų, o per metus jo sunaudojama maždaug 30 mlrd. tonų.
Ne kiekviena bakterija tam tinka
Scientific Reports publikuotame darbe palygintos dvi bakterijų grupės, svarstomos biocementacijos kontekste: Bacillus ir Streptomyces. Peru, César Vallejo universiteto mokslininkai tyrė, kuri iš jų efektyviau gamina kalcio karbonatą ir geriau suformuoja tvirtus mineralinius „tiltelius“ tarp medžiagos dalelių.
Abi grupės pasirinktos neatsitiktinai. Tiek Bacillus, tiek Streptomyces gali funkcionuoti šarminėmis sąlygomis, būdingomis betonui (maždaug pH 8–10), ir sudaryti junginius, kurie lemia kalcito ar kitų CaCO3 formų susidarymą. Vis dėlto vien mintis „panaudokime bakterijas“ problemos neišsprendžia – betonas daugumai organizmų yra itin nedraugiška terpė, todėl kandidatai turi būti ypač atsparūs.
Tyrimuose aiškiai išsiskyrė favoritas. Bacillus gamino daugiau kalcio karbonato kristalų ir darė tai tolygiau bei efektyviau. Bandiniuose su smėliu susiformavo smulkūs mineraliniai „tilteliai“ tarp grūdelių, didinę jų sukibimą. Streptomyces kristalus taip pat formavo, tačiau jų pasiskirstymas buvo mažiau vienodas, o rišamasis efektas – akivaizdžiai silpnesnis.
Čia kalba ne apie „gyvą betoną“, o apie praktišką chemiją
Šią idėją lengva apibūdinti kaip medžiagą, kuri pati save gydo, tačiau esmė slypi chemijoje. Bakterijos „netaiso“ betono tarsi miniatiūriniai mūrininkai – jos tiesiog pasitelkia savo metabolizmą, kad išskirtų mineralą, užsandarinantį mikroįtrūkimus. Bacillus atveju mokslininkai patvirtino kristalų, įskaitant vateritą ir sin-vateritą, buvimą, o elektroninė mikroskopija parodė jų vaidmenį formuojant jungiančias struktūras.
Betonas paprastai asocijuojasi su brutalia mase: tonos užpildų, cementas, armatūra, didžiulės statybvietės. Tačiau jo ilgaamžiškumą kartais lemia mikrometrinio masto dalykai. Tyrime Bacillus suformuotų kristalų dydis siekė maždaug 1–4 mikrometrus, bet būtent jie pastebimai keitė medžiagos vientisumą. Kartais didelės konstrukcijos likimą nulemia tai, ko plika akimi net neįmanoma pamatyti.
Tai geras pavyzdys, kaip šiuolaikinė medžiagų inžinerija tolsta nuo logikos „padarykime storiau ir kietiau“. Vis dažniau siekiama, kad medžiaga nebūtų pasyvi, o reaguotų į savo pačios pažeidimus. Ji nebūtinai turi būti „protinga“ žmogiška prasme – pakanka, kad viduje turėtų savotišką avarinį kelią.
Didžiausias pažadas – ilgaamžiškumas
Praktiškai didžiausia tokio sprendimo vertė gali būti mažesnės priežiūros išlaidos ir ilgesnis infrastruktūros tarnavimo laikas. Smulkūs įtrūkimai pavojingi tuo, kad ilgai atrodo nekalti. Vėliau į juos patenka vanduo, atsiranda chloridai, greitėja armatūros korozija, o problema ima kainuoti gerokai daugiau, nei būtų kainavusi pradžioje. Jei bakterijos sugeba sustabdyti procesą pakankamai anksti, laimima ne tik tvirtesnė medžiaga, bet ir stabilesnis visos konstrukcijos gyvavimo ciklas.
Vis dėlto iki plataus pritaikymo dar toli. Net ir esant daug žadantiems rezultatams, tokios medžiagos turi nueiti kelią nuo laboratorinių bandymų iki pramonės rutinos, o statybų sektorius garsėja tuo, kad naujoves priima atsargiai. Tai sritis, kurioje labiau vertinami skaičiai, normos ir nuspėjamumas nei skambios pažadų antraštės.
Nepaisant to, kryptis atrodo logiška, nes ji taikosi į vieną labiausiai erzinančių betono savybių – polinkį į mikroįtrūkimus, nuo kurių prasideda ilgas ir brangus medžiagos senėjimas. Jei kas nors realiai gali pagerinti infrastruktūros ilgaamžiškumą, greičiausiai tai bus būtent tokie tylūs, bet veiksmingi patobulinimai.
