العلماء يستخدمون البكتيريا والرمل لإنتاج مواد بناء مستدامة دون الحاجة لدرجات حرارة عالية

في إطار بناء مدن مستدامة، يوجه العلماء في المعهد الفيدرالي السويسري للتكنولوجيا في زيورخ أنظارهم نحو بعض أصغر الكائنات الحية على كوكب الأرض. حيث تجمع المعمارية والباحثة كارين أنطوفيزا بايز (Karen Antorveza Paez) بين علم الأحياء والتصنيع الرقمي، مستخدمةً البكتيريا الحية والرمل وتقنيات الروبوتات لإنتاج مكونات بناء قوية، دون الحاجة إلى حرق أي وقود أحفوري. هذا التطور يستهدف واحدة من أكبر الجرائم البيئية على مستوى العالم. حيث تمثل صناعة الأسمنت حوالي 8% من انبعاثات الكربون العالمية، وذلك بسبب الحاجة إلى حرق المكونات الأساسية في أفران ضخمة عند درجات حرارة مرتفعة جداً.

بدون الحاجة إلى معالجة حرارية، قامت أنطوفيزا بايز بتجنيد بكتيريا التربة القادرة على إنتاج "لاصق معدني" — بكتيريا سبوروسارسينا باستوري (Sporosarcina pasteurii). وأشارت إلى أنه: "نحن نستخدم البكتيريا لإنتاج لاصق معدني." حيث يقوم ذراع روبوتي بتطبيق البكتيريا والمواد اللازمة للتبلور والرمل على السطح بشكل متكرر، مما يسمح لها بالنمو طبقة تلو الأخرى.

كيف تعزز البكتيريا إنتاج مواد البناء

تعمل الكائنات الحية الدقيقة التي لا تحتاج إلى أفران على تحفيز ترسيب كربونات الكالسيوم، مما يسمح للبكتيريا الحية بربط الرمل والجزيئات المفككة معاً لتكوين مكونات هيكلية قوية دون الحاجة إلى معالجة حرارية عالية. على الرغم من أن هذه الفكرة ليست جديدة، إلا أن الخبراء قد درسوا سابقاً إمكانية استخدام هذه الطريقة لبناء هياكل على كوكب المريخ. حيث تنتج البكتيريا من خلال إنزيم طبيعي يقوم بتفكيك اليوريا أيونات كربونات في الخليط. وعندما تتفاعل هذه الأيونات مع كلوريد الكالسيوم، تتشكل بلورات صغيرة من الحجر الجيري، التي تتشابك ميكانيكياً مع حبيبات الرمل عند درجة حرارة الغرفة، مما يؤدي إلى تصلب المادة. وأوضحت أنطوفيزا بايز: "هذا يشبه قلي الكعكة، حيث أن العجينة التي تمتلكها لا تزال قابلة للتشكيل وهشة جداً، فقط الفرن يمكنه تحويلها إلى مادة صلبة.

في عملها، تلعب البكتيريا دور الفرن.

تحديات واستخدامات الأسمنت الحيوي

طورت الفريق طريقتين للتصنيع الرقمي لإنشاء عناصر بناء من الأسمنت الحيوي. حيث استخدم الباحثون حبر حيوي مخصص، يتكون من الماء، راتنج طبيعي، رمل وبكتيريا حية، لتطوير عملية طباعة حيوية ثلاثية الأبعاد. بعد تشكيلها، تمر الهياكل بحمام معدني يستمر من يومين إلى خمسة أيام، يتم تحديثه يومياً لتوفير العناصر الغذائية اللازمة. مثل الفرن، تقوم البكتيريا بتصلب المواد عند درجة حرارة الغرفة، مما يترك مكونات معدنية غير نشطة تماماً بعد التجفيف.

ومع ذلك، لا تزال هناك تحديات تتعلق بالقوة. الطريقة الثانية تتضمن استخدام ذراع روبوتي لرش الرمل والبكتيريا والمعززات المعدنية بالتناوب على السطح، مستلهمة من الهياكل الصخرية الدقيقة الطبيعية، مثل الحجر الطحلبي (stromatolites). وأشارت إلى أنه: "بصفتي معمارية، غالباً ما لا أعرف بدقة ما يحتويه المواد — فهي مصنوعة في أماكن أخرى." إنها مفتونة بكيفية إيجاد الطبيعة لطرق إنتاج مواد معقدة للغاية، وتأمل في الاستفادة من ذلك لحل المشاكل الحالية. هذه طريقة واعدة، لكن الأسمنت الحيوي لم يصبح بعد جاهزاً ليحل محل الخرسانة الهيكلية.

حالياً، فإن قوتها أقرب إلى المونة، مما يجعلها أكثر ملاءمة للعناصر غير الحاملة، مثل الجدران الفاصلة أو الألواح الخارجية. بالإضافة إلى ذلك، فإن الأمونيا التي تطلقها التفاعلات الكيميائية هي منتج ثانوي ملوث، يجب معالجته أو إعادة تدويره بأمان. وأكدت أنطوفيزا بايز: "ما لم نأخذ في الاعتبار معالجة هذا المنتج الثانوي الكيميائي، فإن استخدام الأسمنت الحيوي في البناء للأسف ليس مستداماً."

في بينالي العمارة في البندقية 2025، تم إجراء تركيب لمدة ستة أشهر، عرض هيكل من الأسمنت الحيوي ينمو في الوقت الحقيقي أمام الزوار، مما يظهر إمكانيات البناء الآلي. لقد أثبت العلماء أن البكتيريا يمكن أن تنمو كمواد بناء. الآن، المنافسة تكمن في جعل هذه المواد قوية بما يكفي لدعم مدننا.

تطور وتحديات تقنية الأسمنت الحيوي

تظهر هذه الدراسة إمكانيات استخدام البكتيريا والرمل في إنتاج مواد البناء، خاصة في تقليل انبعاثات الكربون. على الرغم من أن الأسمنت الحيوي لم يصل بعد إلى مستوى قوة الخرسانة الهيكلية، إلا أن استخدامه في العناصر غير الحاملة لا يزال جذاباً. بالإضافة إلى ذلك، فإن مشكلة معالجة المنتجات الكيميائية الثانوية تسلط الضوء على تعقيدات تطوير مواد البناء المستدامة. مع تقدم التكنولوجيا، قد تظهر المزيد من الحلول الابتكارية في المستقبل، مما يدفع صناعة البناء نحو اتجاه أكثر صداقة للبيئة.