Здания будущего будут дышать: ученые создали живой стройматериал, поглощающий CO₂

Идея, которая еще вчера казалась научной фантастикой, сегодня обретает реальные черты в стенах Высшей технической школы Цюриха. Междисциплинарная команда исследователей объединила усилия для создания живых материалов, в которых обычные полимеры работают в симбиозе с бактериями, водорослями и грибами. Их общая цель – придать материалам полезные свойства за счет метаболизма микроорганизмов. Профессор макромолекулярной инженерии Марк Тиббитт поясняет, что речь идет, например, о способности связывать CO₂ из воздуха с помощью фотосинтеза.

Исследовательская группа под руководством Тиббитта смогла воплотить это видение в жизнь. Ученые создали материал, который не только живет и растет, но и активно удаляет углекислый газ из атмосферы. Для этого они встроили фотосинтезирующие бактерии, известные как цианобактерии, в специальный гель, который можно использовать для 3D-печати. Этому «фотосинтетическому живому материалу» для роста требуются лишь солнечный свет, углекислый газ и питательные вещества, растворенные в искусственной морской воде.

Профессор Тиббитт отмечает, что такой строительный материал в будущем может помочь улавливать CO₂ непосредственно в конструкциях зданий. Уникальность разработки заключается в двойном механизме связывания углерода. Материал накапливает его не только в биомассе в процессе роста, но и в виде минералов – это особая способность данных цианобактерий. Ифан Цуй, один из ведущих авторов исследования, говорит, что цианобактерии, одни из древнейших форм жизни на планете, чрезвычайно эффективно используют даже самый слабый свет для производства биомассы из CO₂ и воды.

В процессе фотосинтеза бактерии изменяют химическую среду вокруг себя, что приводит к осаждению твердых карбонатов, таких как известь. Эти минералы служат дополнительным и, в отличие от биомассы, более стабильным хранилищем углерода. Цуй добавляет, что они целенаправленно используют эту способность в своем материале. Есть и практический побочный эффект: минералы откладываются внутри структуры и механически укрепляют ее. Так цианобактерии со временем делают изначально мягкий материал более прочным.

Лабораторные испытания показали, что материал непрерывно связывает CO₂ в течение 400 дней, причем большая часть углерода сохраняется в минеральной форме – около 26 миллиграммов на грамм материала. Это значительно превышает показатели многих биологических аналогов и сопоставимо с химической минерализацией переработанного бетона. Основой для живых клеток служит гидрогель – полимерная сетка с высоким содержанием воды. Команда Тиббитта подобрала его состав так, чтобы он пропускал свет, CO₂, воду и питательные вещества, позволяя клеткам равномерно распределяться внутри, но не покидать материал.

Чтобы обеспечить цианобактериям долгую и продуктивную жизнь, исследователи с помощью 3D-печати оптимизировали геометрию структур. Соавтор исследования Далия Дранзайке с удовлетворением сообщает, что им удалось создать конструкции, которые благодаря своей форме улучшают проникновение света и пассивно распределяют питательные вещества за счет капиллярных сил. Такой дизайн позволил инкапсулированным цианобактериям продуктивно жить более года.

Исследователи видят в своем живом материале экологичный и энергоэффективный подход, который может дополнить существующие химические процессы улавливания углерода. Профессор Тиббитт смотрит в будущее и предполагает, что материал можно будет использовать в качестве покрытия для фасадов, чтобы здания связывали CO₂ на протяжении всего своего жизненного цикла. Хотя до этого еще далеко, коллеги-архитекторы уже подхватили концепцию и реализовали первые экспериментальные проекты.

Благодаря докторанту Андреа Шин Линг фундаментальные исследования из лабораторий Цюриха вышли на большую сцену Архитектурной биеннале в Венеции. Линг, архитектор и биодизайнер, рассказывает, что особенно сложной задачей было масштабирование производственного процесса от лабораторного формата до размеров комнаты. Для инсталляции «Picoplanktonics» в павильоне Канады команда использовала напечатанные живые блоки для создания двух древовидных объектов высотой до трех метров. Благодаря цианобактериям каждый из них способен связать до 18 кг CO₂ в год – примерно столько же, сколько 20-летняя сосна.

Еще один проект, «Кожа Дафны» на Миланской триеннале, исследует потенциал живых материалов для будущих строительных оболочек. На структуре, покрытой деревянной черепицей, микроорганизмы образуют темно-зеленую патину, которая со временем изменяет древесину. Таким образом, признак старения становится активным элементом дизайна, который связывает CO₂ и подчеркивает эстетику микробных процессов.