Производство традиционных строительных материалов обходится планете дорого. Только на изготовление бетона приходится около 6% глобальных выбросов парниковых газов, причем основная их часть связана с производством цемента. Кроме того, бетонные и асфальтовые поверхности способствуют формированию городских островов тепла, а трещины в конструкциях со временем приводят к разрушению зданий и дополнительным затратам на ремонт.
Одним из перспективных направлений альтернативного строительства стали инженерные живые материалы (Engineered Living Materials, ELM). Это материалы, в состав которых входят бактерии, грибы, водоросли или другие организмы. Они могут не просто выполнять механические функции, но и реагировать на изменения окружающей среды, восстанавливаться после повреждений и участвовать в биологических процессах.
Один из наиболее изученных примеров — самовосстанавливающийся бетон. Исследователь Делфтского технического университета Хенк Йонкерс еще в 2010 году продемонстрировал, что добавление в бетонную смесь бактериальных спор и питательных веществ позволяет материалу самостоятельно заполнять появляющиеся трещины.
Механизм основан на микробиологически индуцированном осаждении кальцита. Когда в трещину проникает вода, спящие бактерии активируются и начинают производить карбонат кальция — основной компонент известняка. Образующиеся минеральные отложения постепенно заполняют повреждение.
Разработку продолжила компания Basilisk Self-Healing Concrete, созданная на основе университетских исследований. По заявлению производителя, технология позволяет восстанавливать трещины шириной до 0,8 мм. Такой бетон уже применяли, в частности, при строительстве подпорных стен на железнодорожной сети Нидерландов и на водоочистных сооружениях в Японии.
Другое направление — производство строительных композитов, в которых микроорганизмы выступают в роли биологического связующего. Британская компания Cresco Biotech разрабатывает акустические и теплоизоляционные панели из биомассы и вторичного сырья.
В состав таких материалов входят отходы промышленности и сельского хозяйства: конопляная костра, отходы горнодобывающей промышленности и быстрорастущая многолетняя трава мискантус. Бактерии, способные производить карбонат кальция, связывают органические компоненты в прочную структуру.
Преимущество такого подхода заключается в возможности использовать местное сырье и перерабатывать отходы непосредственно вблизи строительных площадок. Это потенциально сокращает потребность в традиционных материалах и транспортировке.
Еще один перспективный строительный материал получают из мицелия — разветвленной сети грибных нитей. Он быстро растет, обладает хорошими звукоизоляционными свойствами, устойчив к воздействию огня и способен отталкивать воду.
Мицелий выращивают на органических субстратах, используя в качестве сырья бумагу, рисовые отходы, кофейную гущу, апельсиновые корки и растительные остатки. Грибные нити пронизывают субстрат и связывают его в единую структуру. После обработки получается легкий композит, который можно использовать для производства упаковки, акустических панелей и теплоизоляции.
Американская компания Ecovative экспериментирует с разными способами повышения прочности таких материалов. В частности, мицелий используют как связующее для других органических компонентов. Однако в чистом виде он пока недостаточно прочен, чтобы заменить несущие строительные конструкции.
Возможности биоматериалов не ограничиваются производством строительных блоков и изоляционных панелей. Исследователи изучают, как встроить живые организмы непосредственно в стены, фасады и инженерные системы зданий.
Например, покрытия с микроводорослями и бактериями могут участвовать в регулировании температуры и влажности. В лабораторных экспериментах некоторые биологические покрытия охлаждали окружающий воздух на несколько градусов.
Водоросли и цианобактерии способны поглощать углекислый газ в процессе фотосинтеза. Другие бактерии могут превращать CO₂ в твердые карбонатные соединения. Биологические фильтрующие слои также исследуют для очистки воды и переработки отходов непосредственно внутри зданий.
Особый интерес представляют материалы, которые сохраняют жизнеспособность микроорганизмов после производства. В отличие от обычных биокомпозитов, такие системы могут реагировать на повреждения и самостоятельно восстанавливать свою структуру. В одном из экспериментов исследователи получили материал на основе мицелия, способный заращивать небольшие отверстия после добавления питательных веществ.
Несмотря на перспективность технологии, до массового применения еще далеко. Необходимо научиться производить биоматериалы в больших объемах с предсказуемыми характеристиками, обеспечить их долговечность и разработать способы безопасного контроля живых организмов.
Отдельная проблема — экономика. Строительная отрасль ориентирована на недорогие материалы, которые можно выпускать в огромных количествах. Биокомпозиты пока часто обходятся дороже традиционных аналогов, а экономический эффект от самовосстанавливающихся конструкций может проявиться лишь через десятилетия эксплуатации.
Есть и экологические оговорки: биологическое происхождение материала само по себе не гарантирует его безопасности или устойчивости. Например, масштабное производство древесины без учета состояния лесных экосистем может нанести ущерб биоразнообразию и снизить способность лесов поглощать углерод.
Поэтому ученые рассматривают живые строительные материалы не как универсальную замену бетону и стали, а как дополнительный инструмент для создания более устойчивой городской среды. В перспективе здания смогут не только потреблять ресурсы и требовать постоянного ремонта, но и самостоятельно восстанавливаться, регулировать микроклимат, перерабатывать отходы и участвовать в поглощении углерода.
