Бактерії, які вчать пухкий ґрунт робити власний цемент + test

• Ґрунт, який треба якось втримати разом
• Що тримає ґрунт сьогодні і скільки це коштує
• Нехай ґрунт робить свій цемент сам
• Як перевіряють таку ідею
• Що з цього вийшло в полі
• Від патенту до будмайданчика
• Чому це тема для студента
• Підсумок
• П’ять запитань: чи доведеш ти ідею до кінця? (тест)

⇑Ґрунт, який треба якось втримати разом

Майже кожне велике будівництво починається з проблеми, якої не видно на кресленнях: ґрунт під ним недостатньо міцний. Міста продовжують рости й потребують нової інфраструктури для тих, хто в них переїжджає. Те, що вже стоїть, старіє. Решту доводять землетруси, ерозія й зсуви, а екстремальна погода, як очікують, здорожчить ремонт доріг, залізниць, насипів, водосховищ і гребель.

Тож комусь доводиться переконувати слабкий ґрунт поводитися як щось твердіше. Це ціла галузь інженерії, і щороку в ній більше роботи.

⇑Що тримає ґрунт сьогодні і скільки це коштує

Стандартна відповідь — в’яжучий матеріал: летюча зола, вапно або цемент, який нагнітають у землю. Це працює, і працює десятиліттями. Але має свою ціну. Щоб ввести в’яжучу речовину в ґрунт, на майданчику потрібно багато енергії, адже матеріал доводиться заганяти під тиском. А те, що пішло вглиб, назад не повертається — звичайні в’яжучі можуть завдати непоправної шкоди підземним водам і екосистемам, що живуть під поверхнею.

⇑Нехай ґрунт робить свій цемент сам

Проєкт CEBREWA, який координували у Федеральній політехнічній школі Лозанни (EPFL) у Швейцарії, почав із протилежного боку. Замість того щоб привозити цемент до ґрунту, він привозить мікроорганізми. Під час свого метаболізму вони виробляють карбонат кальцію, а в проміжках між зернами ростуть кристали кальциту, аж поки зерна не зчіпляться одне з одним. Ґрунт зрештою скріплює той самий мінерал, з якого складається вапняк, і утворюється він саме там, де потрібен.

«Ми використовуємо біологічно опосередковане утворення кальциту, щоб ґрунти створювали власні мінеральні зв’язки замість того, щоб покладатися на звичайні синтетичні в’яжучі», — каже Ліес Лалуї (Lyesse Laloui), координатор проєкту й директор Лабораторії механіки ґрунтів в EPFL.

⇑Як перевіряють таку ідею

Бактерії в колбі — ще не будівельна технологія. Між одним і другим лежить довгий ряд роботи, і CEBREWA пройшов більшу її частину:

• візуалізація в масштабі окремих пор, щоб побачити, де насправді ростуть кристали;
• лабораторні випробування обробленого ґрунту;
• чисельне моделювання, щоб передбачити, що відбувається в розмірах, які ніхто не вмістить у лабораторії;
• великі біореактори, що виробляють мікроорганізми в корисних кількостях;
• повномасштабні випробування стабілізації схилу просто неба.

«Ми оцінювали технологію від масштабу пор до масштабу місцевості», — каже Лалуї. «Для цього ми використовували сучасну візуалізацію, лабораторні випробування та чисельне моделювання».

⇑Що з цього вийшло в полі

Проєкт тривав вісімнадцять місяців, з 1 лютого 2021 року до 31 липня 2022 року, із внеском ЄС у розмірі 150 000 € за грантовою угодою 963913. За цей час біоцементація перестала бути лабораторною дивиною й стала тим, що інженер справді може вказати в проєкті: робота дала інструменти проєктування й моніторингу для боротьби з ерозією, підвищення несучої здатності, стабілізації схилів і зміцнення доріг.

Вісімнадцять місяців — це мало. Цього досить, щоб показати, що річ виживає за межами будівлі, і далеко не досить, щоб її довести до кінця.

⇑Від патенту до будмайданчика

Наука почалася не у 2021 році. Технології біоцементації запатентували в проєкті BIOGEOS (грант 788587), попередньому проєкті, який фінансувала Європейська дослідницька рада; CEBREWA став кроком, що перевіряв, чи вони взагалі можуть вийти за межі університету. «Технологію вже передають через патенти та відгалуження EPFL — компанію Medusoil», — каже Лалуї.

Те, що буде далі, звучить значно менш захопливо, ніж вирощування мінералів за допомогою бактерій, а роботи там щонайменше стільки ж: міжнародна сертифікація (ISO, CE), стандарти, процедури контролю якості. Жоден підрядник не заллє невідомий матеріал у схил, що підтримує дорогу. Сертифікація — це не папери навколо технології, а її частина.

⇑Чому це тема для студента

Одному такому проєкту потрібні мікробіологія, геотехніка, хімія та чисельне моделювання в одній кімнаті, а ще хтось, хто вміє перекладати між ними. Це досить гарний аргумент проти того, щоб сприймати напрям навчання як огорожу.

Другий урок менш очевидний. «Наша мета — зробити поліпшення ґрунтів значно менш вуглецемістким, менш інвазивним і більш сумісним із довкіллям без шкоди для інженерних характеристик», — каже Лалуї, і саме в другій половині цього речення ховається складна частина. Результат у лабораторії та технологія на ринку — це дві різні речі, і обом потрібні люди.

⇑Підсумок

CEBREWA використав мікроорганізми, щоб ґрунт виробляв власне мінеральне в’яжуче замість того, щоб отримувати цемент із бетонозмішувача, і випробував ідею від масштабу пор до справжнього схилу. За вісімнадцять місяців він видав інструменти проєктування й моніторингу та передав технологію компанії Medusoil, а сертифікація і стандартизація ще попереду. Цікаві тут не бактерії. Цікаво те, що процес, який природа веде мільйони років, виявився придатним для цивільного будівництва, щойно достатньо дисциплін сіло за один стіл.

⇑П’ять запитань: чи доведеш ти ідею до кінця? (тест)