Zrównoważone budownictwo i inteligentna ochrona dziedzictwa dzięki bioinżynieryjnym metodom „samonaprawy”
Z biegiem lat warunki klimatyczne i codzienne obciążenia powodują uszkodzenie i degradację materiałów geologicznych stosowanych w budownictwie. Może to zagrozić integralności strukturalnej i bezpieczeństwu budynków, a także ujemnie wpływa na ich estetykę. Regularna konserwacja polega głównie na nakładaniu powłok powierzchniowych, co w efekcie może ograniczać zdolność materiału do „oddychania”, zmniejszając jego długoterminową wydajność. Ponadto powłoki te są często wykonywane z określonych materiałów, których wybór jest ograniczony. W ramach finansowanego przez UE projektu GEOHEAL zbadano potencjał niektórych materiałów do automatycznego inicjowania procesu naprawy, który mógłby przywrócić – a nawet poprawić – pożądane właściwości strukturalne lub estetyczne budynków. Czerpiąc inspirację z badań nad mineralizacją kalcytu w cemencie z udziałem bakterii, uczestnicy projektu GEOHEAL zaprezentowali przebieg procesu mineralizacji w przypadku różnych rodzajów skał. „Nasza technika zwiększa trwałość obrabianego materiału, nie zmniejszając jego zdolności »oddychania«, w taki sam sposób, jak w przypadku niektórych metod chemicznych”, mówi koordynator projektu Mike Harbottle z Uniwersytetu w Cardiff, uczelni będącej gospodarzem projektu. Prace już przyciągnęły uwagę mediów – między innymi BBC Wales, dwutygodnika Forbes oraz magazynów The Engineer i New Civil Engineer. Ponadto projekt stworzył możliwości uczestnictwa w wydarzeniach dotyczących kształtowania polityki w zakresie innowacji w Walii (Rada ds. Finansowania Szkolnictwa Wyższego w Walii), a także w działaniach komunikacyjnych, takich jak Europejska Noc Naukowców.
Wpływ na właściwości strukturalne porowatych materiałów budowlanych
Obecnie badanych jest kilka technologii w dziedzinie samonaprawy materiałów. „Zastosowaliśmy technikę opartą na mineralizacji mikrobiologicznej, która jest naturalnym procesem, sprawdzającym się bardzo dobrze w przypadku zastosowania na powierzchni nowego lub starego muru”, tłumaczy Harbottle. W projekcie GEOHEAL wykorzystano tylko naturalne materiały, głównie wapień i piaskowiec, które są powszechnie stosowane w budownictwie zarówno nowoczesnym, jak i historycznym. Kluczowy jest fakt, że materiały te mają porowatą strukturę, dzięki czemu tworzą sprzyjające środowisko dla wielu aktywnych mikroorganizmów. W swoich badaniach zespół projektu wykorzystał bakterię Sporosarcina ureae, która oprócz wytwarzania ochronnego węglanu wapnia (kalcytu) jest w stanie „przeczekać” w formie przetrwalnikowej trudne warunki utrzymujące się przez bardzo długi czas. Polega to na tym, że bakterie pozostają w stanie spoczynku jako endospory, dopóki nie zostaną pobudzone do wytworzenia kalcytu, który następnie miesza się z wapieniem i skleja ziarna piasku w piaskowcu. Najprostszym mechanizmem wyzwalającym może być dostarczenie bakteriom pożywienia we właściwym czasie. Zabieg ten można przeprowadzić za pomocą sprayów, pędzli lub w połączeniu z kapsułkami osadzonymi w porach, które pękają w przypadku uszkodzenia kamienia. Zdolność bakterii do zmiany mikrostruktury materiałów wystawionych na działanie czynników atmosferycznych została udowodniona na próbkach murów pobranych z opactwa Tintern Abbey w Monmouthshire w Walii (Zjednoczone Królestwo). W testach tych wykazano, że biologiczny proces naprawy nie uszkadza struktury ani nie pogarsza wyglądu estetycznego. Zespół między innymi nie stwierdził żadnych zmian koloru widocznych gołych okiem. „Ponadto testy laboratoryjne pozwoliły nam znaleźć dowody na cykliczny proces naprawy, w ramach którego system może przetrwać trudne warunki klimatyczne i ponownie się aktywować pod wpływem mechanizmu wyzwalającego”, dodaje Magdalini Theodoridou, która prowadzi badania wspierane w ramach działania „Maria Skłodowska-Curie”.
Zrównoważone wykorzystanie materiałów
GEOHEAL oferuje bardziej przyjazne dla środowiska podejście do budowy i konserwacji budynków. Proponowane metody pomogłyby zmniejszyć nie tylko obciążenia związane z ciągłą konserwacją, ale także zapotrzebowanie na nowe konstrukcje dzięki możliwości ponownego wykorzystania już istniejących nieruchomości. Co więcej, udowodniono też, że mogą być one wykorzystane do naprawy uszkodzeń balistycznych w budynkach w strefach konfliktów zbrojnych. Mimo że działania pilotażowe w ramach fazy rozwoju tej technologii przynoszą pozytywne wyniki, brakuje jeszcze przykładów szerszego zastosowania. Jako że obecnie stypendystka prowadzi badania w ośrodku badań w dziedzinie biotechnologii w środowisku zbudowanym w Zjednoczonym Królestwie, www.bbe.ac.uk (Hub for Biotechnology in the Built Environment (HBBE)), a ponadto jest zaangażowana w powiązane projekty – inicjatywę RM4L oraz finansowany przez UE projekt SMARTINCS, zespół kontynuuje prace nad rzeczywistymi zastosowaniami. Oprócz podmiotów z branży budowlanej pracą zespołu zainteresowały się też takie organizacje jak Cadw (walijski organ odpowiedzialny za dziedzictwo historyczne) czy spółka państwowa Highways England.
Słowa kluczowe
GEOHEAL, materiały geologiczne, budynek, budownictwo, warunki klimatyczne, mineralizacja z udziałem bakterii, kalcyt, cement, dziedzictwo, bakteria, piaskowiec, wapień
