Un cercetător a creat bacteria care poate repara cimentul. Cum funcționează invenția lui

Un cercetător olandez a găsit o soluție neobișnuită pentru una dintre cele mai costisitoare probleme ale construcțiilor: fisurile care apar în beton. Profesorul Henk Jonkers a dezvoltat un tip de beton autoreparator, în care bacteriile pot transforma fisurile în calcar și pot contribui astfel la repararea automată a materialului.

Betonul reprezintă una dintre bazele civilizației moderne și este folosit la construcția locuințelor, zgârie-norilor, podurilor, tunelurilor și barajelor. Deși este extrem de rezistent, materialul are o vulnerabilitate importantă: în timp, apar inevitabil mici fisuri. Îmbătrânirea, condițiile meteorologice, traficul intens și cutremurele pot contribui la deteriorarea betonului. Prin aceste fisuri, apa poate pătrunde în interior și poate ajunge la armătura din oțel, favorizând coroziunea.

Repararea infrastructurii deteriorate costă guvernele și companiile miliarde de dolari în fiecare an. Tocmai această problemă i-a determinat pe cercetători să caute materiale mai rezistente, care să reducă și costurile de întreținere pe termen lung.

Ideea că o clădire ar putea să-și „vindece” singură fisurile, asemenea pielii umane după o tăietură, părea cândva desprinsă din science-fiction. Profesorul Henk Jonkers a transformat însă această idee într-o realitate.

Cine este cercetătorul din spatele betonului autoreparator?

Descoperirea a fost dezvoltată de profesorul Henk Jonkers, microbiolog la Universitatea de Tehnologie din Delft (TU Delft), în Țările de Jos. Spre deosebire de inginerii constructori tradiționali, Jonkers este specializat în microbiologie. Cercetătorul s-a întrebat dacă organismele vii ar putea contribui la rezolvarea uneia dintre cele mai vechi probleme din construcții.

Inspirat de capacitatea organismului uman de a-și vindeca rănile, Jonkers a petrecut ani întregi studiind bacterii capabile să supraviețuiască în condiții extrem de dure. Cercetările sale au dus la dezvoltarea betonului autoreparator, care conține spori bacterieni aflați într-o stare latentă. Aceștia rămân inactivi ani la rând și sunt „treziți” atunci când apar fisuri și apa pătrunde în beton.

Munca lui Jonkers a atras atenția comunității științifice internaționale, inclusiv prin intermediul programelor europene de cercetare, și a devenit unul dintre cele mai cunoscute exemple de inginerie inspirată de natură.

Citește și: Păr uman transformat în barieră împotriva poluării. Soluția ingenioasă testată în Brazilia pentru protejarea oceanului

Cum repară bacteriile fisurile din beton?

Secretul betonului autoreparator se află în anumite bacterii din familia Bacillus, printre care Bacillus pseudofirmus și Bacillus cohnii. Aceste microorganisme sunt alese special pentru capacitatea lor de a supraviețui în mediul extrem de alcalin din interiorul betonului.

În timpul procesului de construcție, sporii bacterieni sunt amestecați în beton împreună cu mici capsule care conțin substanțe nutritive, precum lactatul de calciu. Atâta timp cât betonul este intact și nu există umezeală, bacteriile rămân inactive. Ele pot supraviețui astfel perioade foarte lungi.

Situația se schimbă atunci când apare o fisură. Apa de ploaie pătrunde prin crăpătură și activează bacteriile. Microorganismele consumă substanțele nutritive și produc carbonat de calciu, cunoscut în mod obișnuit sub numele de calcar. Materialul format se acumulează treptat în interiorul fisurii și o închide.

Prin sigilarea acesteia, apa pătrunde mai greu până la armătura din oțel, ceea ce poate reduce coroziunea și poate prelungi durata de viață a structurii. După ce fisura este închisă și umezeala dispare, bacteriile intră din nou în stare latentă. Ele pot rămâne astfel până când o nouă fisură și prezența apei le reactivează.

Betonul care se repară singur funcționează?

Printre primele cercetări importante se numără studiul „Application of bacteria as self-healing agent for the development of sustainable concrete”, publicat în revista Ecological Engineering. Lucrarea, semnată de Henk M. Jonkers, Arjan Thijssen, Gerard Muyzer, Oğuzhan Çopuroğlu și Erik Schlangen, a demonstrat că bacteriile pot contribui la închiderea fisurilor prin producerea biologică de calcar.

Cercetările ulterioare realizate în cadrul Microlab și al Departamentului de Materiale și Mediu de la TU Delft au indicat că bacteriile pot rămâne viabile în interiorul betonului timp de mai mulți ani și pot contribui la repararea repetată a fisurilor mici atunci când materialul este expus la apă.

O altă lucrare importantă, „Bacteria-based concrete: From concept to market”, semnată de Henk M. Jonkers, a urmărit evoluția tehnologiei de la primele experimente de laborator până la aplicațiile-pilot.

Cercetarea a evidențiat potențialul betonului cu bacterii de a îmbunătăți durabilitatea și impermeabilitatea structurilor din beton armat, reducând în același timp necesarul de lucrări de întreținere.

Ulterior, echipe de cercetători din mai multe țări, inclusiv Regatul Unit, Belgia, China, Coreea de Sud și India, au testat și dezvoltat în continuare conceptul.

Citește și: Bioplasticul natural pe care animalele l-ar putea consuma de sute de milioane de ani. Descoperirea cercetătorilor schimbă ceea ce se știa despre PHA

Cât de mari pot fi fisurile reparate de bacterii?

Versiunile actuale ale betonului cu bacterii pot repara, în general, fisuri cu o lățime de aproximativ 0,5 până la 1 milimetru, în funcție de compoziția betonului și de condițiile de mediu.

La prima vedere, o fisură atât de mică poate părea neimportantă. În realitate, însă, astfel de crăpături fine pot reprezenta începutul unor probleme structurale mult mai grave.

Prin închiderea lor înainte ca acestea să se extindă, bacteriile pot împiedica apa, oxigenul și sărurile să ajungă la armătura metalică. Astfel, procesul de coroziune este încetinit, iar durata de viață a construcției poate fi prelungită.

Cercetătorii încearcă în prezent să dezvolte tulpini bacteriene și sisteme de furnizare a substanțelor nutritive mai eficiente, capabile să repare fisuri mai largi și să rămână active pe perioade mai îndelungate.

Ar putea betonul autoreparator să economisească miliarde?

Betonul este cel mai utilizat material de construcții din lume, după apă. Infrastructura îmbătrânită necesită investiții uriașe pentru repararea podurilor, tunelurilor, autostrăzilor și clădirilor publice.

Betonul autoreparator ar putea schimba modul în care sunt întreținute aceste construcții. Dacă fisurile mici sunt închise automat înainte de a produce deteriorări importante, costurile de întreținere ar putea scădea, iar durata de utilizare a infrastructurii ar putea crește.

Tehnologia este deosebit de interesantă pentru structurile în cazul cărora intervențiile sunt complicate sau foarte scumpe. Printre acestea se numără platformele offshore, tunelurile subterane, barajele, podurile de cale ferată, parcările și infrastructura marină.

Există și un posibil beneficiu pentru mediu. Reducerea lucrărilor de reparații înseamnă mai puține materiale noi, iar producția de ciment este una dintre importantele surse industriale de emisii de dioxid de carbon la nivel mondial.

A fost folosit betonul cu bacterii în afara laboratoarelor?

Da. De la apariția tehnologiei, betonul cu bacterii a fost testat în mai multe proiecte-pilot din Europa.

Țările de Jos au utilizat beton autoreparator în proiecte experimentale de infrastructură, în timp ce cercetători din Belgia, Italia și Regatul Unit au realizat teste în teren pentru poduri, tuneluri și ziduri de sprijin.

Mai multe companii inspirate de cercetările lui Jonkers au început, de asemenea, să comercializeze produse pe bază de bacterii pentru proiecte de construcții specializate.

Totuși, tehnologia nu este încă folosită pe scară largă în construcțiile obișnuite. Principalul obstacol este costul, deoarece betonul autoreparator rămâne mai scump decât betonul convențional.

Cercetătorii consideră însă că utilizarea sa ar putea crește pe măsură ce costurile de producție scad, iar avantajele economice obținute pe termen lung devin mai evidente.

Betonul care se repară singur schimbă industria construcțiilor?

Timp de zeci de ani, inginerii s-au concentrat în principal pe repararea betonului după apariția deteriorărilor. Profesorul Henk Jonkers a schimbat perspectiva, dezvoltând un material capabil să intervină singur înainte ca problemele să devină grave.

Betonul în care sunt folosite bacterii combină microbiologia cu ingineria civilă și oferă o posibilă soluție sustenabilă pentru una dintre cele mai mari provocări ale industriei construcțiilor. Tehnologia este încă perfecționată, iar cercetătorii încearcă să-i extindă posibilitățile. Însă ideea a schimbat deja modul în care oamenii de știință și inginerii privesc viitorul infrastructurii.

În loc ca orașele să fie construite din materiale care necesită reparații permanente pe măsură ce îmbătrânesc, viitoarele construcții ar putea folosi materiale capabile să se întrețină singure, discret, timp de zeci de ani. Un astfel de scenariu ar putea însemna costuri mai mici, construcții mai sigure și o industrie mai puțin dependentă de reparații și de consumul permanent de materiale noi.