Materiál, který dýchá a zároveň tuhne jako kámen
Tohle není další zelený nátěr na fasádu ani okrasná vertikální zahrada. Švýcarští vědci vyvinuli nový stavební materiál obsahující živé mikrořasy, který se chová někde na pomezí omítky a živého organismu. Dýchá, roste, mineralizuje se a dokáže trvale „uzavřít" do sebe CO₂. Kdyby tato technologie pronikla do masového používání, fasády paneláků a kancelářských budov by fungovaly trochu jako umělý les.
Sinice jako miniaturní továrny na beton
Základem projektu jsou takzvané sinice, odborně cyanobakterie. Jde o jedny z nejstarších organismů na Zemi – existují více než 3 miliardy let. Po celou tu dobu zvládají fotosyntézu bravurně: přeměňují sluneční světlo, vodu a CO₂ na kyslík a organické sloučeniny.
Tým z ETH Zürich, tedy Švýcarského federálního technologického institutu v Curychu, šel ještě dál. Nevyužil tyto mikroorganismy jen jako „vysavač" oxidu uhličitého. Klíčové je, že určité druhy cyanobakterií dokážou zachycený uhlík přeměnit na minerály podobné uhličitanu vápenatému – té látce, z níž jsou tvořeny vápence a mušle.
Stejný proces, který po miliony let budoval útesy a vápencové skály, vědci vtěsnali do tenké vrstvy budoucí omítky.
Organismy nejprve rostou ve vlhkém gelu, hromadí CO₂ a produkují biomasu. Jakmile dosáhnou hranice růstu, spustí se druhá fáze – mineralizace. Do materiálu se zabuduje jakési vnitřní „kamenné" lešení. Díky tomu zůstane uhlík uvězněn na dlouhou dobu a samotný kompozit se postupně stává stále pevnějším.
Hydrogel jako akvárium tisknutelné ve 3D
Aby měly řasy kde žít, vytvořili badatelé speciální hydrogel. Jde o měkký, vodou nasycený materiál s velmi porézní strukturou. Funguje trochu jako houba: propouští vodu, plyn i světlo a zároveň udržuje stabilní podmínky pro mikroorganismy.
Nejzajímavější je, že tento hydroget lze tisknout technologií 3D. To umožňuje tvarovat složité struktury a zároveň přesně řídit tloušťku, propustnost i způsob, jakým světlo dopadá na buňky řas. Fasádu tak lze navrhnout tak, aby maximálně zachycovala CO₂ při konkrétních podmínkách oslunění.
- Hydroget tvoří „domov" pro cyanobakterie.
- Trojrozměrná struktura usnadňuje přístup světla, vody a oxidu uhličitého.
- Vysoký obsah vody chrání buňky před vysycháním.
- Poréznost materiálu ovlivňuje rychlost mineralizace.
Během laboratorních testů fungoval materiál nepřetržitě přibližně 400 dní. Za tu dobu průměrně vázal 26 mg CO₂ na každý gram své hmotnosti, a to ve formě trvalých minerálních usazenin. Ve srovnání s jinými biologickými metodami zachycování oxidu uhličitého jde o velmi vysokou účinnost.
Stěny, které skutečně „polykají" oxid uhličitý
Tým z ETH Zürich se nehodlá zastavit na úrovni laboratorních vzorků. Cílem je dostat materiál na fasády budov jako druh aktivního povrchového povlaku. Fasáda dokončená takovým kompozitem by přestala být jen ochranou před deštěm – začala by aktivně pracovat na uhlíkové bilanci celého města.
Na architektonické výstavě v Benátkách představili vědci prototypy ve tvaru organicky tvarovaných „kmenů". Každý takový prvek je podle jejich výpočtů schopen pohltit až 18 kg CO₂ ročně. To je zhruba tolik, kolik statisticky absorbuje jeden dospělý jehličnatý strom stáří přibližně 20 let.
| Objekt | Odhadované množství pohlceného CO₂ ročně |
|---|---|
| Prototypový modul z hydrogelu | až 18 kg |
| Průměrný 20letý jehličnatý strom | srovnatelná hodnota |
Během 400denního experimentu vzorky postupně tmavly a zelenaly, protože řasy intenzivně fotosyntetizovaly. Materiál přitom tuhl, jak se uvnitř hromadily uhličitanové minerály. Něco, co zpočátku připomínalo měkký gel, se začínalo chovat jako odolný, polotvrdý kompozit.
Materiál nejenže v průběhu času neztrácí mechanické vlastnosti, ale přímo „zraje" – stává se stále tužším a odolnějším.
Biotechnologie urychluje zelené stavebnictví
Vědci z ETH Zürich považují toto řešení teprve za první krok. Plánují geneticky upravovat používané cyanobakterie, aby ještě zvýšili jejich fotosyntetickou výkonnost a rychlost mineralizace. Jediná změna v metabolické dráze může teoreticky způsobit, že stejný metr čtvereční fasády zachytí výrazně více CO₂ za kratší dobu.
Badatelé také přemýšlejí nad optimálním systémem dodávání živin pro řasy. Při experimentech používali umělou mořskou vodu bohatou na minerální soli. V reálných městských podmínkách ovšem žádné trvalé ponoření materiálu do takového roztoku nepřipadá v úvahu. Bude tedy nutné najít způsob, jak potřebné prvky „zabudovat" přímo do struktury kompozitu nebo ho propojit s diskrétním zavlažovacím systémem.
Energeticky úsporná alternativa k průmyslovým instalacím
Velkou předností živého materiálu jsou nízké energetické náklady. Tradiční zařízení pro zachycování CO₂ vyžadují vysoké teploty, výkonné ventilátory a složitou chemii. Tady je „motorem" slunce a veškerá chemie probíhá uvnitř buněk řas.
Cyanobakterie samy odvádějí nejtěžší část práce: odebírají plyn z okolí, zpracovávají ho a uzavírají do podoby kamenné kostry. Pro inženýry to znamená technologii, kterou lze snadno integrovat do stávající infrastruktury – třeba jako přídavnou vrstvu na prefabrikovaných fasádních panelech.
Nejde o konkurenci průmyslovým instalacím pro odstraňování CO₂, ale o dodatečný nástroj, který architektura může získat jako součást nového materiálu.
Co to může změnit ve městech a ve stavebnictví
Pokud podobná řešení proniknou na trh, pojem „udržitelná budova" získá zcela nový rozměr. Dnešní zelené stavebnictví klade důraz především na snižování spotřeby energie, tepelnou izolaci nebo recyklaci materiálů. Tady jde o aktivní odstraňování skleníkových plynů z atmosféry.
Představte si panelový dům pokrytý vrstvou takového materiálu. Každé patro funguje jako tenký „pás" lesa. Desítky či stovky takových budov v jednom sídlišti by mohly neutralizovat roční emise místní kotelny nebo části aut z okolí. Je to samozřejmě vize na příštích několik desetiletí, ale čísla z experimentů ukazují, že to není čistá fantazie.
Příležitosti, rizika a praktické otázky
Před nasazením v masovém měřítku vyvstává několik technických otazníků. Cyanobakterie musí přežít mráz, dlouhotrvající sucho, kontakt s prachem a znečištěním z frekventovaných ulic. Je třeba také zjistit, jak často takový materiál vyžaduje „servis" a zda se po letech nezačne odlupovat nebo ztrácet své vlastnosti.
Důležitá je rovněž otázka zdraví – některé druhy sinic v přírodních vodních nádržích produkují toxiny. Výzkumníci proto vybírají bezpečné kmeny a navíc je uzavírají do struktury gelu tak, aby se nedostaly do okolního prostředí. I přesto si přísné stavební a hygienické normy nejspíš vyžádají důkladné testování.
Pokud se tyto překážky podaří překonat, materiály s živými mikroorganismy se mohou stát stálou součástí nástrojů projektantů. Už dnes se experimentuje s houbovým myceliem jako náhradou polystyrenu nebo s cihlami „pěstovanými" pomocí bakterií. Řasy do této sady přidávají funkci aktivního odstraňování CO₂ a zpevňování konstrukce prostřednictvím mineralizace.
Pro běžného obyvatele budovy je nejzajímavější to, že taková řešení nemusí vypadat jako laboratoř. Hydroget není vidět pod vnější dokončovací vrstvou, nebo naopak přijímá podobu sochařsky tvarovaných panelů, které dodávají fasádě charakter. A přitom tam potichu pracuje obrovské, mikroskopické „město" organismů, které den co den přeměňují oxid uhličitý na něco tvrdého jako kámen.
