Строим при помощи бактерий. Биобетон. Биоцемент.
Цемент и получаемые из него бетон - самые важные и распространённые строительные материалы в мире. Производство цемента не является экологически чистым циклом и, по некоторым оценкам, ответственно за около 8% выбросов углекислого газа CO2.
При производстве цемента известняк и глину нагревают вместе до температуры свыше 1000°С, при этом известняк – соль кальция и угольной кислоты – декарбонизуется, то есть расщепляется на углекислый газ СО2 и оксид кальция, или известь. Оксид кальция вступает в дальнейшие химические реакции, в результате которых появляются минералы, составляющие вещество цемента. А углекислый газ улетает в атмосферу.
Соответственно, массовый выброс CO2 и его содержание в атмосфере приводят к глобальному парниковому эффекту. Как бы избавиться от углекислого газа в технологическом цикле получения нужного человечеству цемента?
Одним из предложений по уменьшению углеродного следа при производстве цемента и бетона является использование фотосинтезирующих микроорганизмов-бактерий из, например, многочисленного семейства цианобактерий. Так и поступила компания "Прометей материалы" ( Prometheus Materials) из американского штата Колорадо. Фирма разрабатывает цементо-образующий процесс, в котором полезный материал появляется не в результате температурных реакций, а от фотосинтеза.
Дополнительным плюсом инновационного подхода является и тот факт, что в процессе фотосинтеза углекислый газ поглощается из атмосферы, а не вбрасывается в неё.
"Прометей материалы" ( Prometheus Materials) выращивает свои бактерии в так называемых биореакторах. Вода, неорганическая подкормка и свет от мощных светодиодных ламп заставляют бактерии активнее продуцировать. Помимо этого, вода обогащается вредным человеку и атмосфере углекислым газом, который необходим бактериям для жизненного цикла. Добавляют также ионы кальция, всего несколько микрон в диаметре. Кальций стимулируют бактерии к размножению и улучшают общую производительность цикла.
Меры по искусственному и интенсивному наращиванию популяции вкратце называются биоминерализацией.
Колонии производственных бактерий удваиваются в численности в биореакторе каждые 4-6 часов. После достижения колонией нужной популяции, она переходит в следующую ёмкость, где "молодь" взрослеет в течении часа или около того. Затем колонию обогащают сырьём, перерабатывая которое получается долгожданный "биобетон".
Биобетон получается в нескольких агрегатных состояниях, которые должны пройти ещё несколько шагов для превращения в полноценный стройматериал. На данном этапе разработки технологии "Прометей" хочет сразу замешивать первичный биораствор - цементосодержащую субстанцию от бактерий с песком, чтобы впоследствии дегидрировать его в твёрдый материал. Представьте детский пластилин или глину, например.
Чтобы повысить плотность выходного материала при формовке строительных блоков, они дополнительно опрессовываются под давлением и подвергаются воздействию мощной вибрации в течении 10 секунд.
"Интенсивная вибрация вытрясает все лишнее на 100%" - описывает процесс Лорен Бёрнет, глава "Прометея". Сформованные блоки сушатся всего около 8 дней, против 28 дней при конвенциональном производстве.
"Прометей" также заявляет, что его технология в 10 раз уменьшает углеродный след CO2 по сравнению с традиционным производственным циклом. Кстати, поскольку производство бетона, как правило, располагают недалеко от предстоящих строек, многие "зелёные юрисдикции" с повышенными требованиями к соблюдению экологических норм, как Калифорния, Орегон и округ Вашингтон только приветствуют наличие экологичной альтернативы. И поощряют производителей подобных решений.
Выход технологии из лабораторных объемов на промышленный масштаб "Прометей" планирует совершить в первом полугодии 2023. Масштабирование производства должно повысить конкурентоспособность в ценовой конкуренции с обычным цементом.
Некоторым преимуществом нового цемента является и его прочность, превышающая уже имеющиеся предложения на рынке. Выдерживаются нагрузки до 380кг на один квадратный сантиметр.
Текущие мощности "Прометея" позволяют делать 21000 экоблоков-кирпичей в месяц. Логистика доставки будет удорожать цену, поскольку не на каждом, даже крупном объекте, возможно будет оборудовать производство со всеми бактериями на месте. Одним из приоритетных направлений развития новой технологии будет возможность засушить бактерии и блоки в производстве для перевозки их на финальную точку применения материалов. Радикально уменьшив вес, избавившись от тяжёлой влаги, снизятся транспортные расходы.
В идеале, по словам Лорен Бёрнет, новая технология разовьётся в нечто, аналогичное сухой смеси, которой необходимо будет "просто добавить воды" для превращения в готовый стройматериал. Причём, инновационная смесь будет легче аналогичной цементной.
Конкурент "Прометея", компания "Биомэйсон" (Biomason), использует схожую технологию при производстве цементно-бетонных плит и покрытий. Разница в применяемых бактериях. У "Биомэйсон" бактерии не используют фотосинтез для выделения конечного продукта. Бактерии конкурента питаются как органической подкормкой из сахара и аминокислот, так и неорганической.
Первый продукт "Биомэйсон" - напольная и настенная отделочная плитка "Биолит".
Применение биоцемента может распространяться и за пределы гражданского строительства. Американское Министерство обороны рассматривает налаживание производств стройматериалов в труднодоступных регионах и горячих точках, где традиционная логистика не может доставлять тяжёлые грузы-стройматериалы безопасно и в больших количествах.