Pomysł wydaje się futurystyczny: w ETH Zurych różne dyscypliny współpracują, aby połączyć konwencjonalne materiały z bakteriami, glonami i grzybami. Wspólny cel: tworzenie żywych materiałów, które nabywają przydatne nieruchomości dzięki metabolizmowi mikroorganizmów – „takich jak zdolność do wiązania CO2 z powietrza za pomocą fotosyntezy”, mówi Mark Tibbitt, profesor inżynierii makrocząsteczkowej w Eth Zurich.
Interdyscyplinarny zespół badawczy prowadzony przez Tibbitta przekształcił tę wizję w rzeczywistość: stabilnie włączył bakterie fotosyntetyczne – znane jako cyjanobakterie – do żelu do druku i opracował żywą, rośnie i aktywnie usuwa węgla z powietrza. Naukowcy niedawno zaprezentowali „fotosyntetyczny materiał żywy” w badaniu w czasopiśmie Nature Communications.
Kluczowa charakterystyka: sekwestracja podwójnego węgla
Materiał można kształtować przy użyciu drukowania 3D i wymaga tylko światła słonecznego i sztucznej wody morskiej z łatwo dostępnymi składnikami odżywczymi oprócz CO2. „Jako materiał budowlany może pomóc w przechowywaniu CO2 bezpośrednio w budynkach w przyszłości”, mówi Tibbitt, który zintegrował badania nad żywymi materiałami w Eth Zurych.
Specjalna rzecz: żywy materiał pochłania znacznie więcej CO2 niż wiąże się z wzrostem organicznym. „Jest tak, ponieważ materiał może przechowywać węgiel nie tylko w biomasie, ale także w postaci minerałów – specjalnej właściwości tych cyjanobakterii”, ujawnia Tibbitt.
Yifan Cui, jeden z dwóch głównych autorów badania, wyjaśnia: „Cyanobakterie należą do najstarszych form życia na świecie. Są one bardzo wydajne w fotosyntezy i mogą wykorzystać nawet najsłabsze światło do wytworzenia biomasy z CO2 i wody”.
Jednocześnie bakterie zmieniają swoje środowisko chemiczne poza komórką w wyniku fotosyntezy, tak że wytrącone węglany stałe (takie jak wapno). Minerały te reprezentują dodatkowy zlew węglowy i – w przeciwieństwie do biomasy – przechowuj CO2 w bardziej stabilnej formie.
Cyanobacteria jako mistrzowscy budowniczowie
„Wykorzystujemy tę umiejętność specjalnie w naszym materiale” – mówi Cui, który jest doktorantem w grupie badawczej Tibbitt. Praktyczny efekt uboczny: Minerały są osadzane wewnątrz materiału i wzmacniają go mechanicznie. W ten sposób Cyanobakterie powoli utrudniają początkowo miękkie struktury.
Testy laboratoryjne wykazały, że materiał nieustannie wiąże CO2 w ciągu 400 dni, większość w formie mineralnej – około 26 miligramów CO2 na gram materiału. Jest to znacznie więcej niż wiele podejść biologicznych i porównywalne z mineralizacją chemiczną betonu z recyklingu (około 7 mg CO2 na gram).
Hydrożel jako siedlisko
Materiał nośnika, który zawiera żywe komórki, jest hydrożelem-żel wykonany z połączonych polimerów o wysokiej zawartości wody. Zespół Tibbitt wybrał sieć polimerów, aby mogła transportować światło, CO2, wodę i składniki odżywcze i pozwala komórkom równomiernie rozprzestrzeniać się w środku bez opuszczania materiału.
Aby upewnić się, że sinic żyją tak długo, jak to możliwe i pozostają wydajne, naukowcy zoptymalizowali również geometrię struktur za pomocą procesów drukowania 3D w celu zwiększenia powierzchni, zwiększenia penetracji światła i promowania przepływu składników odżywczych.
Współprzewodowa autorka Dalia Dranseike: „W ten sposób stworzyliśmy struktury, które umożliwiają penetrację światła i pasywnie rozpowszechniają płyn składników odżywczych w ciele przez siły kapilarne”. Dzięki temu projektowi zamknięte cyjanobakterie żyły produktywnie przez ponad rok, badacz materiałów w zespole Tibbitt ma przyjemność zgłosić.
Infrastruktura jako zlew węglowy
Naukowcy postrzegają swój żywy materiał jako podejście o niskim energii i przyjaznym dla środowiska podejście, które może wiązać CO2 z atmosfery i uzupełniać istniejące procesy chemiczne do sekwestracji węgla. „W przyszłości chcemy zbadać, w jaki sposób materiał można wykorzystać jako powłokę do budowania fasad do wiązania CO2 przez cały cykl życia budynku”, patrzy Tibbitt.
Jest jeszcze długa droga – ale koledzy z dziedziny architektury podjęli już koncepcję i zrealizowali początkowe interpretacje w eksperymentalny sposób.
Dwie instalacje w Wenecji i Mediolanie
Dzięki ETH Doktorant Student Andrea Shin Ling, podstawowe badania z ETH Laboratories znalazły się na dużym etapie Biennale architektury w Wenecji. „Szczególnie trudne było zwiększenie procesu produkcyjnego od formatu laboratoryjnego do wymiarów pokoju”-mówi architekt i bio-projektant, który jest również zaangażowany w to badanie.
Ling wykonuje doktorat w ETH profesor Benjamina Dillenburger, przewodniczącego technologii budowlanych cyfrowych. W swojej rozprawie opracowała platformę do biofabrykowania, która może drukować żywe struktury zawierające funkcjonalne sinic w skali architektonicznej.
W przypadku instalacji Picoptanticics w pawilonie kanadyjskim zespół projektowy wykorzystał drukowane konstrukcje jako żywe elementy budulcowe do budowy dwóch obiektów przypominających drzewo, co najwyższy około trzech metrów. Dzięki cyjanobakterie każda z nich może wiązać się z 18 kg CO2 rocznie-mniej więcej nawet 20-letniej sosny w strefie umiarkowanej.
„Instalacja jest eksperymentem – dostosowaliśmy pawilon Kanady, aby zapewniał wystarczającą ilość światła, wilgotności i ciepła, aby cyjanobakterie mogły się rozwijać, a następnie obserwujemy, jak się zachowują” – mówi Ling. Jest to zobowiązanie: zespół monitoruje i utrzymuje instalację na miejscu – codziennie. Do 23 listopada.
Na 24. Triennale di Milano skóra Dafne bada potencjał żywych materiałów do przyszłych kopert budowlanych. Na strukturze pokrytej drewnianymi gonami mikroorganizmy tworzą głęboką zieloną patynę, która zmienia drewno w czasie: znak rozpadu staje się aktywnym elementem projektowym, który wiąże CO2 i podkreśla estetykę procesów mikrobiologicznych. Skóra Dafne to współpraca między Studio Maeid i Dalia Dranseike. Jest to część wystawy „We The Bacteria: Notes w kierunku architektury biotycznej” i trwa do 9 listopada.
Materiał żywy fotosyntetyczny został stworzony dzięki interdyscyplinarnej współpracy w ramach Alive (Advanced Engineering with Living Materials). Inicjatywa ETH Zurych promuje współpracę między naukowcami z różnych dyscyplin w celu opracowania nowych materiałów żywych do szerokiego zakresu zastosowań.