Materiál, který dýchá a zároveň tuhne jako kámen
Tohle není další zelená fasádní barva ani ozdobná vertikální zahrada. Švýcarští vědci vyvinuli zcela nový stavební materiál obsahující živé mikrořasy, který se chová někde na pomezí omítky a živého organismu. Dýchá, roste, mineralizuje se a dokáže trvale „uzamknout" oxid uhličitý ve své struktuře. Pokud se tato technologie prosadí ve větším měřítku, mohly by fasády bytových domů a kancelářských budov fungovat jako umělý les.
Řasy jako miniaturní továrny na beton
Základem projektu jsou takzvané sinice, odborně označované jako cyanobakterie. Jde o jedny z nejstarších organismů na naší planetě – existují déle než 3 miliardy let. Dokonale zvládají fotosyntézu, tedy přeměnu slunečního světla, vody a CO₂ na kyslík a organické sloučeniny.
Tým z Federální polytechniky v Curychu (ETH Zürich) šel ale ještě dál. Využil tyto mikroorganismy nejen jako „vysavač" oxidu uhličitého. Klíčové je, že určité druhy sinic dokážou zachycený uhlík přeměnit na minerály připomínající uhličitan vápenatý – stejnou látku, ze které jsou vápence a mušle.
Tentýž 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. Když dosáhnou hranice svého růstu, spustí se druhá fáze – mineralizace. Uvnitř materiálu se vytváří jakési vnitřní „kamenné" lešení. Uhlík je tak dlouhodobě uvězněn a samotný kompozit časem stále tvrdne.
Hydrogel jako akvárium tisknutelné ve 3D
Aby měly řasy kde žít, vytvořili výzkumníci speciální hydrogelový nosič. Jde o měkký, vodou nasycený materiál s velmi porézní strukturou. Funguje trochu jako houba: propouští vodu, plyny i světlo a zároveň udržuje stabilní podmínky pro mikroorganismy.
Nejpozoruhodnější je, že tento hydroget lze tisknout technologií 3D tisku. Díky tomu lze tvarovat složité geometrie a přitom přesně řídit tloušťku, propustnost i způsob, jakým světlo dopadá na buňky řas. V praxi tedy lze navrhnout fasádu tak, aby zachycování CO₂ bylo co nejefektivnější při konkrétních světelných podmínkách dané lokality.
- Hydroget slouží jako „domov" pro sinice.
- Trojrozměrná struktura usnadňuje přístup světla, vody a oxidu uhličitého.
- Vysoký obsah vody chrání buňky před vysycháním.
- Poréznost materiálu ovlivňuje rychlost mineralizace.
Během laboratorních testů materiál fungoval nepřetržitě přibližně 400 dní. Za tuto dobu vázal průměrně 26 mg CO₂ na každý gram své hmotnosti, a to v podobě trvalých minerálních usazenin. Ve srovnání s jinými biologickými metodami zachycování oxidu uhličitého jde o velmi vysokou účinnost.
Stěny, které opravdu „dýchají" oxidem uhličitým
Tým z ETH Zürich se nechystá zastavit na úrovni laboratorních vzorků. Cílem je nasadit materiál na fasády budov jako druh aktivního povrchového povlaku. Obvodový plášť dokončený takovým kompozitem by přestal být pouhou ochranou před deštěm – aktivně by pracoval na uhlíkové bilanci celého města.
Na architektonickém bienále v Benátkách vědci představili prototypy ve tvaru organicky tvarovaných „kmenů". Každý takový prvek podle jejich výpočtů dokáže pohltit až 18 kg CO₂ ročně. To je přibližně stejné množství, jaké statisticky absorbuje jeden dospělý jehličnatý strom stáří kolem 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 postupně tuhle, jak se uvnitř hromadily uhličitanové minerály. Něco, co zpočátku připomínalo měkký gel, se začalo chovat jako odolný polotvrdý kompozit.
Materiál časem nejen neztrácí mechanické vlastnosti, ale přímo „dozrává" – stává se stále tužším a odolnějším.
Biotechnologie urychluje zelené stavebnictví
Vědci z ETH považují toto řešení teprve za první krok. Plánují geneticky upravit používané sinice, aby ještě zvýšili jejich fotosyntetickou výkonnost a rychlost mineralizace. Teoreticky jediná změna v metabolické dráze může způsobit, že stejný čtvereční metr fasády váže výrazně více CO₂ za kratší dobu.
Výzkumníci se rovněž zabývají optimálním systémem zásobování řas živinami. V experimentech zatím používali umělou mořskou vodu bohatou na minerální soli. V reálných městských podmínkách ale materiál nelze trvale ponořit do takového roztoku. Je proto nutné najít způsob, jak potřebné prvky zabudovat přímo do struktury kompozitu, nebo ho propojit s nenápadným zavlažovacím systémem.
Energeticky úsporná alternativa k průmyslovým zařízením
Velkou předností živého materiálu jsou nízké energetické náklady. Tradiční průmyslová zařízení na zachycování CO₂ vyžadují vysoké teploty, výkonné ventilátory a složitou chemii. Zde je „palivem" slunce a veškerá chemická přeměna probíhá uvnitř buněk řas.
Sinice samy zvládají nejtěžší část práce: odebírají plyn z okolního prostředí, zpracovávají ho a uzavírají do podoby skalního skeletu. Pro stavební inženýry to znamená technologii, kterou lze snadno integrovat do stávající infrastruktury – například jako přídavnou vrstvu na prefabrikovaných fasádních panelech.
Nejde o konkurenci průmyslovým instalacím na odstraňování CO₂, ale o dodatečný nástroj, který může architektura získat jako součást balíčku s novým materiálem.
Co to může změnit ve městech a stavebnictví
Pokud podobná řešení proniknou na trh, pojem „udržitelná budova" dostane zcela nový rozměr. Dnes se v zeleném stavebnictví klade důraz především na snižování spotřeby energie, tepelnou izolaci a recyklaci materiálů. Zde jde o aktivní odstraňování skleníkových plynů přímo z atmosféry.
Představme si bytový dům pokrytý vrstvou takového materiálu. Každé podlaží funguje jako tenký „pás" lesa. Desítky podobných budov na jednom sídlišti by mohly neutralizovat roční emise místní kotelny nebo části okolního automobilového provozu. Je to samozřejmě vize na příští dekády, ale čísla z experimentů ukazují, že nejde o čirou fantazii.
Příležitosti, rizika a praktické otázky
Před nasazením ve velkém měřítku vyvstává několik technických otazníků. Sinice musí přežít mráz, dlouhotrvající sucho, kontakt s prachem a znečištěním z rušných ulic. Je třeba také stanovit, jak často takový materiál vyžaduje „servis" a zda se po letech nezačne drolit nebo ztrácet své vlastnosti.
Důležitá je i otázka zdravotní bezpečnosti – některé druhy sinic v přírodních vodních nádržích produkují toxiny. Výzkumníci proto vybírají pouze bezpečné kmeny a navíc je uzavírají do gelové struktury tak, aby se nedostaly do okolního prostředí. Přesto stavební a hygienické normy s největší pravděpodobností vyžádají přísné testy.
Podaří-li se tyto překážky překonat, materiály s živými mikroorganismy se mohou stát trvalou součástí nástrojů architektů a projektantů. Už dnes se experimentuje s myceliem jako náhradou za polystyren nebo s cihlami „vypěstovanými" pomocí bakterií. Řasy k tomu přidávají funkci aktivního odstraňování CO₂ a zpevňování konstrukce prostřednictvím mineralizace.
Pro běžného uživatele budovy je nejzajímavější to, že taková řešení nemusejí vypadat jako laboratoř. Hydrogelová vrstva není vidět pod vnějším povrchovým nátěrem, nebo naopak nabývá podoby sochařsky tvarovaných panelů, které fasádě dodávají osobitý charakter. A přitom tam potichu pracuje obrovské, mikroskopické „město" organismů, které den za dnem přeměňují oxid uhličitý v něco tvrdého jako kámen.
