Бактерии, которые учат рыхлый грунт делать собственный цемент + test

• Грунт, который нужно как-то удержать вместе
• Что держит грунт сегодня и во что это обходится
• Пусть грунт сам делает свой цемент
• Как проверяют такую идею
• Что из этого вышло в поле
• От патента до стройплощадки
• Почему это тема для студента
• Итог
• Пять вопросов: доведёшь ли ты идею до конца? (тест)

⇑Грунт, который нужно как-то удержать вместе

Почти любая крупная стройка начинается с проблемы, которой не видно на чертежах: грунт под ней недостаточно прочен. Города продолжают расти и нуждаются в новой инфраструктуре для тех, кто в них переезжает. То, что уже стоит, стареет. Остальное довершают землетрясения, эрозия и оползни, а экстремальная погода, как ожидается, удорожит ремонт дорог, железных путей, насыпей, водохранилищ и плотин.

Значит, кому-то приходится убеждать слабый грунт вести себя как что-то более твёрдое. Это целая отрасль инженерии, и работы в ней с каждым годом больше.

⇑Что держит грунт сегодня и во что это обходится

Стандартный ответ — вяжущее: зола-унос, известь или цемент, закачиваемые в землю. Это работает, и работает десятилетиями. Но у этого есть цена. Чтобы ввести вяжущее в грунт, на площадке нужно много энергии, ведь материал приходится вгонять под давлением. А то, что ушло вглубь, обратно не возвращается: обычные вяжущие могут нанести непоправимый вред подземным водам и экосистемам, живущим под поверхностью.

⇑Пусть грунт сам делает свой цемент

Проект CEBREWA, который координировали в Федеральной политехнической школе Лозанны (EPFL) в Швейцарии, начал с противоположного конца. Вместо того чтобы привозить цемент к грунту, он привозит микроорганизмы. В ходе своего метаболизма они вырабатывают карбонат кальция, а в промежутках между зёрнами растут кристаллы кальцита, пока зёрна не сцепятся друг с другом. В итоге грунт скрепляет тот самый минерал, из которого состоит известняк, и образуется он именно там, где нужен.

«Мы используем биологически опосредованное образование кальцита, чтобы грунты создавали собственные минеральные связи, а не полагались на обычные синтетические вяжущие», — говорит Лиес Лалуи (Lyesse Laloui), координатор проекта и директор Лаборатории механики грунтов в EPFL.

⇑Как проверяют такую идею

Бактерии в колбе — ещё не строительная технология. Между одним и другим лежит длинный ряд работ, и CEBREWA прошёл большую их часть:

• визуализация в масштабе отдельных пор, чтобы увидеть, где на самом деле растут кристаллы;
• лабораторные испытания обработанного грунта;
• численное моделирование, чтобы предсказать, что происходит в размерах, которые никто не поместит в лабораторию;
• крупные биореакторы, производящие микроорганизмы в полезных количествах;
• полномасштабные испытания стабилизации склона под открытым небом.

«Мы оценивали технологию от масштаба пор до масштаба местности», — говорит Лалуи. «Для этого мы использовали современную визуализацию, лабораторные испытания и численное моделирование».

⇑Что из этого вышло в поле

Проект длился восемнадцать месяцев, с 1 февраля 2021 года по 31 июля 2022 года, при взносе ЕС в размере 150 000 € по грантовому соглашению 963913. За это время биоцементация перестала быть лабораторной диковинкой и стала тем, что инженер действительно может указать в проекте: работа дала инструменты проектирования и мониторинга для борьбы с эрозией, повышения несущей способности, стабилизации склонов и укрепления дорог.

Восемнадцать месяцев — это мало. Этого хватает, чтобы показать, что вещь выживает за пределами здания, и далеко не хватает, чтобы довести её до конца.

⇑От патента до стройплощадки

Наука началась не в 2021 году. Технологии биоцементации были запатентованы в проекте BIOGEOS (грант 788587), более раннем проекте, который финансировал Европейский исследовательский совет; CEBREWA стал шагом, который проверял, могут ли они вообще выйти за пределы университета. «Технология уже передаётся через патенты и дочернюю компанию EPFL Medusoil», — говорит Лалуи.

То, что будет дальше, звучит куда менее захватывающе, чем выращивание минералов с помощью бактерий, а работы там по меньшей мере столько же: международная сертификация (ISO, CE), стандарты, процедуры контроля качества. Ни один подрядчик не зальёт неизвестный материал в склон, который удерживает дорогу. Сертификация — это не бумажная работа вокруг технологии, а её часть.

⇑Почему это тема для студента

Одному такому проекту нужны микробиология, геотехника, химия и численное моделирование в одной комнате, а ещё тот, кто умеет переводить между ними. Это довольно хороший довод против того, чтобы воспринимать направление обучения как забор.

Второй урок менее очевиден. «Наша цель — сделать улучшение грунтов значительно менее углеродоёмким, менее инвазивным и более совместимым с окружающей средой без ущерба для инженерных характеристик», — говорит Лалуи, и именно во второй половине этой фразы прячется трудная часть. Результат в лаборатории и технология на рынке — две разные вещи, и обеим нужны люди.

⇑Итог

CEBREWA использовал микроорганизмы, чтобы грунт вырабатывал собственное минеральное вяжущее, а не получал цемент из бетономешалки, и испытал идею от масштаба пор до настоящего склона. За восемнадцать месяцев он выдал инструменты проектирования и мониторинга и передал технологию компании Medusoil, а сертификация и стандартизация ещё впереди. Интересны здесь не бактерии. Интересно то, что процесс, который природа ведёт миллионы лет, оказался пригодным для гражданского строительства, как только за один стол село достаточно дисциплин.

⇑Пять вопросов: доведёшь ли ты идею до конца? (тест)