• Naukowcy z ETH Zurich wykorzystali bakterie do łączenia ziaren piasku w trwałe elementy architektoniczne.
  • Materiał twardnieje w temperaturze pokojowej w ciągu 2-5 dni, bez konieczności wypalania go w wysokiej temperaturze.
  • Technologia może ograniczyć zużycie cementu, ale przed jej komercjalizacją konieczne są dalsze badania wytrzymałości i wpływu na środowisko.

Bakterie łączą piasek w materiał budowlany. Naukowcy pokazali, jak to działa

Zespół badawczy ze szwajcarskiej politechniki ETH Zurich zaprezentował nową metodę wytwarzania elementów architektonicznych z wykorzystaniem żywych mikroorganizmów. Technologia opiera się na procesie nazywanym biocementacją.

W tradycyjnym budownictwie do łączenia składników betonu wykorzystuje się cement, którego produkcja wymaga wysokich temperatur i wiąże się z emisją dwutlenku węgla. Szwajcarscy naukowcy postanowili zastosować zupełnie inne rozwiązanie. Zamiast wytwarzać spoiwo w energochłonnym piecu, wykorzystują bakterie zdolne do tworzenia węglanu wapnia, czyli minerału występującego między innymi w wapieniu.

„Wykorzystujemy bakterie do wytwarzania czegoś w rodzaju mineralnego kleju” – wyjaśnia Karen Antorveza Paez, badaczka z Wydziału Architektury ETH Zurich i autorka prac dotyczących biocementacji.

Kluczową rolę odgrywają bakterie Sporosarcina pasteurii. W odpowiednich warunkach wywołują reakcje chemiczne, dzięki którym pomiędzy ziarnami piasku powstają mikroskopijne kryształy kalcytu. Kryształy łączą się ze sobą, tworząc trwałą strukturę mineralną. Dzięki temu luźny piasek zmienia się w sztywny materiał, który można wykorzystać do produkcji określonych elementów budowlanych.

Druk 3D i bakterie. Materiał twardnieje w ciągu kilku dni

Jednym z największych osiągnięć szwajcarskiego zespołu jest połączenie biologicznego procesu wiązania piasku z drukiem 3D. Badacze opracowali specjalny biotusz składający się z piasku, żywych bakterii oraz żelu na bazie wody i naturalnych substancji, alginianu i ksantanu.

Mieszaninę można drukować w wybranych kształtach, podobnie jak w przypadku tradycyjnych materiałów wykorzystywanych w druku przestrzennym. Gotowy element trafia następnie do kąpieli zawierającej mocznik i chlorek wapnia. Bakterie rozkładają mocznik, uruchamiając reakcję prowadzącą do powstawania węglanu wapnia. Mineralne kryształy stopniowo spajają całą strukturę.

Jak wynika z publikacji naukowej opisującej drukowanie biocementu, proces pozwala wytwarzać struktury o formach trudnych do uzyskania przy wykorzystaniu wcześniejszych metod biologicznej mineralizacji.

W zależności od oczekiwanej wytrzymałości utwardzanie trwa od dwóch do pięciu dni. W tym czasie konieczne jest codzienne odnawianie roztworu mineralizującego. Po wysuszeniu element staje się sztywną strukturą mineralną, a bakterie przestają być aktywne. Cały proces odbywa się w temperaturze pokojowej, bez zastosowania pieca do wypalania materiału.

Robot buduje z piasku warstwa po warstwie. Technologię pokazano w Wenecji

Naukowcy opracowali również drugą metodę, która nie wymaga zanurzania wydrukowanego elementu w kąpieli mineralnej. W tym rozwiązaniu ramię robota nanosi na powierzchnię kolejne warstwy piasku, bakterii oraz substancji niezbędnych do tworzenia węglanu wapnia. Proces jest inspirowany stromatolitami, czyli naturalnymi strukturami skalnymi powstającymi w wyniku działalności mikroorganizmów.

Technologię zaprezentowano podczas Biennale Architektury w Wenecji w 2025 roku. Przez sześć miesięcy robot prowadził proces nakładania kolejnych warstw materiału, umożliwiając obserwowanie jego stopniowego wzrostu. Wyniki opisano również w badaniu dotyczącym zrobotyzowanej biocementacji.

Obie metody mają różne potencjalne zastosowania. Druk 3D jest bardziej odpowiedni do tworzenia przestrzennych elementów architektonicznych, natomiast natryskiwanie może być wykorzystywane do pokrywania i kształtowania powierzchni.

Czy bakterie zastąpią cement? Na razie nie można z nich budować całych domów

Technologia może mieć istotne znaczenie dla branży budowlanej, która poszukuje sposobów ograniczenia energochłonności produkcji materiałów i emisji gazów cieplarnianych. Produkcja tradycyjnego cementu wymaga ogrzewania surowców do temperatur przekraczających 1000 stopni Celsjusza. W przypadku biocementacji spoiwo mineralne powstaje dzięki aktywności mikroorganizmów.

Badacze z ETH Zurich stworzyli już między innymi element elewacyjny, który może służyć jako osłona przeciwsłoneczna lub część ściany działowej. Nie oznacza to jednak, że materiał jest gotowy do zastąpienia betonu wykorzystywanego w fundamentach, stropach czy konstrukcjach nośnych budynków.

Karen Antorveza Paez podkreśla, że biocementacja znajduje się dopiero na wczesnym etapie rozwoju. Obecny materiał pod względem właściwości bardziej przypomina zaprawę niż beton konstrukcyjny.

Przed naukowcami pozostają badania dotyczące wytrzymałości mechanicznej, trwałości i kontroli procesu produkcyjnego. Szczególnie ważne jest ustalenie, jak dobór wielkości ziaren i rozmieszczenie spoiwa wpływają na ostateczne właściwości materiału.

Nowy materiał ma również problem środowiskowy. Powstaje szkodliwy produkt uboczny

Choć biocementacja może ograniczyć zapotrzebowanie na energię wykorzystywaną podczas wytwarzania tradycyjnych materiałów, nie jest technologią całkowicie pozbawioną wpływu na środowisko. Podczas rozkładu mocznika przez bakterie powstaje również amon, który w dużych ilościach może być szkodliwy dla środowiska.

Jak wyjaśnia ETH Zurich, bez odpowiedniego systemu przetwarzania lub usuwania tego produktu ubocznego trudno będzie uznać proces za w pełni zrównoważony. Badacze pracują obecnie nad oceną całkowitego wpływu technologii na środowisko oraz sposobami ograniczenia powstawania odpadów chemicznych.

Kolejnym wyzwaniem pozostaje przeniesienie produkcji z laboratoriów do zakładów przemysłowych. Technologia musi zapewniać powtarzalną jakość, przewidywalną wytrzymałość oraz konkurencyjne koszty wytwarzania.

Na obecnym etapie najbardziej prawdopodobnym kierunkiem rozwoju jest produkcja wybranych elementów elewacyjnych i dekoracyjnych. Zastosowanie biocementacji w konstrukcjach nośnych wymaga znacznie bardziej zaawansowanych badań.

Czytaj także:

Polski system podatkowy wśród najgorszych w OECD. Niestabilny i skomplikowany

Nie tylko Francja. Wielkie zamieszki w Mediolanie

Polska zgarnie kolejne środki z SAFE? 20 mld euro do podziału