Jön a mutáns beton, ami megjavítja önmagát
Képzeljük el, milyen lenne, ha a beton képes lenne saját magát úgy gyógyítani, ahogy az emberi bőr is regenerálódik egy vágás után. Ez az elképzelés áll Dr. Congrui Grace Jin legújabb kutatásának középpontjában, amely a Materials Today Communications folyóiratban jelent meg.
A beton a világ leggyakrabban használt építőanyaga, mégis súlyos hátránya, hogy viszonylag könnyen megrepedezik. Legyen szó apró vagy nagyobb hibákról, ezek idővel komoly szerkezeti károkat okozhatnak – gondoljunk csak egy híd vagy épület összeomlására. A repedések által a nedvesség és a gázok is bejuthatnak a beton belsejében található acélszerkezethez, előidézve a rozsdásodást és az anyag gyengülését.
Mesterséges zuzmórendszer segíti a „gyógyulást”
Dr. Jin, aki a Texas A&M Egyetem Műszaki és Ipari Elosztási Tanszékének adjunktusa, a természetből merített ihletet, és egy mesterséges zuzmórendszert dolgozott ki, amely lehetővé teheti, hogy a beton idővel önmagát javítsa. Az ötlet lényege, hogy a zuzmókhoz hasonlóan – amelyek a gombák és algák (vagy cianobaktériumok) együttéléséből állnak – olyan mikroorganizmusokat alkalmaznak, amelyek szimbiotikus módon működnek együtt.
A rendszer egyik eleme a cianobaktérium, amely napfényből és levegőből képes táplálékot előállítani. A másik a fonalas gomba, amely ásványi anyagokat termel – ezek képesek betömni a keletkező repedéseket. Az együttműködésük révén ezek a mikrobák csupán fény, levegő és víz segítségével életben maradnak és végzik „javító” munkájukat. A rendszer különlegessége, hogy teljesen önállóan működik, szemben a korábbi önjavító betonmegoldásokkal, amelyek külső beavatkozást vagy adalékanyagokat igényeltek.
A beton alapja kőzúzalék, homok, agyagpor és mészkő keveréke, amely víz hozzáadásával egy hidratációs kémiai reakció révén megszilárdul. Bár így egy rendkívül erős anyagot kapunk, amely akár hatalmas teherautók vagy felhőkarcolók súlyát is elbírja, a természetes környezeti hatások – például a hőmérséklet-ingadozások, zsugorodás vagy túlterhelés – idővel mégis repedésekhez vezetnek.
A repedések időben történő felismerése életmentő lehet, azonban ez nehézkes és költséges feladat, különösen a forgalmas utakon és hidakon. Az Egyesült Államok évente több tízmilliárd dollárt költ csak az ilyen típusú javításokra.
Új megoldás: önjavító beton mikroorganizmusokkal – teljesen önállóan
„A mikroorganizmusok által vezérelt önjavító betonkutatás több mint harminc éve zajlik” – mondja Dr. Jin. „Ám ezeknek a megközelítéseknek még mindig van egy közös gyenge pontjuk: egyik sem teljesen önálló, mert a javító anyagokat termelő élő szervezetek folyamatos tápanyagellátást igényelnek.”
Ez a gyakorlatban azt jelenti, hogy miután a szakemberek nagy munkával beazonosítják a repedéseket, tápanyagokat kell befecskendezniük vagy rápermetezniük a felületre – ami gyakran kivitelezhetetlen.
Jin válasza minderre: a zuzmók világából kölcsönzött megoldás, amely lehetővé teszi, hogy a beton saját magát javítsa – külső beavatkozás nélkül.
A zuzmók javítják ki a beton hibáit
A zuzmók mindennapi környezetünk csendes társai, leggyakrabban fákon és sziklákon telepszenek meg. Igazi különlegességük abban rejlik, hogy gombák és algák (vagy cianobaktériumok) alkotta szimbiózisban élnek. Olyan önfenntartó rendszerben, amely még a legextrémebb körülmények között is életképes.
Ezt a biológiai modellt alapul véve Jin és kutatótársai – Dr. Richard Wilson, Nisha Rokaya és Erin Carr, a Nebraskai Egyetem munkatársai – a DARPA fiatal kutatói programjának támogatásával létrehoztak egy mesterséges zuzmórendszert, amely hasonló módon működik, mint természetes előképei.
A rendszerben a cianobaktérium a napfényből és a levegőből állít elő tápanyagot. A fonalas gomba pedig ásványokat termel, amelyek betömik a repedéseket. Ez az együttműködés teljesen önálló. A mikroorganizmusok csupán levegőből, fényből és vízből élnek, és végzik „karbantartó” tevékenységüket.
A laboratóriumi tesztek során ez a mikrobiális páros akkor is életképes maradt, és képes volt ásványi anyagokat termelni, amikor közvetlenül betonfelületre kerültek. Vagyis a rendszer a gyakorlatban is működőképes lehet.
Dr. Jin azonban nem állt meg a laboratóriumban. Más tudományterületek kutatóival – köztük a Texas A&M Egyetem társadalomtudományi tanszékének professzoraival – közösen azt is vizsgálja, miként viszonyul a közvélemény ahhoz, ha élő szervezeteket alkalmaznak az építőiparban. A cél: feltérképezni az etikai, társadalmi, környezeti és jogi kérdéseket, amelyek egy ilyen technológia bevezetésével járhatnak.
Ez az úttörő kutatás messzire mutató következményekkel járhat: az önjavító beton jelentősen csökkentheti a fenntartási költségeket, meghosszabbíthatja az építmények élettartamát, és nem utolsósorban életeket is menthet a fokozott biztonság révén. Ezen túlmenően a fenntartható építkezés számos területén – beleértve a világűrben alkalmazott infrastruktúrát is – új távlatokat nyithat.