科学者が細菌と砂を利用し、高温を必要としない持続可能な建築材料を製造

持続可能な都市の建設に向けて、スイス連邦工科大学の科学者たちは地球上の最も微小な生物に目を向けている。建築家で研究者のKaren Antorveza Paezは、生物学とデジタル製造を組み合わせ、活きた細菌、砂、ロボット技術を利用して、化石燃料を燃焼させることなく堅固な建築部品を製造している。この開発は、世界最大の環境問題の一つに対処するものである。セメントの生産は、世界の炭素排出量の約8%を占めており、主な原因は重要な成分が極めて高温の巨大な窯で焼かれる必要があるためである。

Antorveza Paezは、熱処理を必要とせず、「鉱物接着剤」を生成できる土壌細菌である嗜熱芽孢桿菌（Sporosarcina pasteurii）を利用している。彼女は、「私たちは細菌を利用して鉱物接着剤を生産しています」と述べている。機械アームは、細菌、結晶に必要な物質、砂を繰り返し表面に施し、層を重ねて成長させる。

細菌が建材生産を促進する方法

窯を必要としない微生物が炭酸カルシウムの沈殿を誘導することで、活きた細菌は高温処理なしで砂と緩い粒子を結合させて堅固な構造部品を形成することができる。このアイデアは新しいものではないが、専門家たちは以前にこの方法を火星での構造物建設の可能性について考慮していた。細菌は天然酵素を通じて尿素を分解し、混合物中の炭酸イオンを生成する。これらのイオンが塩化カルシウムと相互作用すると、微細な石灰岩結晶が形成され、これらの結晶が室温で機械的に砂粒を絡ませ、材料を固化させる。Antorveza Paezは、「これはケーキを焼くのに似ています。生地は非常に可塑性があり脆弱ですが、オーブンだけがそれを堅固な物質に変えることができます」と説明している。

」彼女の仕事において、細菌はオーブンの役割を果たしている。

生物セメントの課題と応用

チームは生物セメント建築要素を創造するために、2つのデジタル製造方法を開発した。研究者たちはカスタマイズされた生物インクを使用しており、このインクは水、天然樹脂、砂、活きた細菌で構成されており、3Dバイオプリンティングプロセスを開発した。プリント後、構造は2日から5日間の鉱化浴を経て、必要な栄養を提供するために毎日更新される。オーブンのように、細菌は室温で材料を固化させ、乾燥後には完全に固化した無活性鉱物部品が残る。

しかし、強度の課題は依然として存在する。第二の方法は、機械アームを使用して砂、細菌、鉱化剤を交互に表面にスプレーすることであり、これは自然の微生物岩石構造、例えば層状石（stromatolites）からインスピレーションを得ている。彼女は、「建築家として、通常は材料に何が含まれているかを正確に知ることはありません。それは他の場所で製造されたものです」と述べている。彼女は自然が高度に複雑な材料を生産する方法を見つけることに魅了されており、これを利用して現在の問題を解決したいと考えている。これは明るい展望を持つ方法だが、生物セメントは構造コンクリートの代わりになる準備ができていない。

現在、その強度はモルタルに近く、非構造体、例えば隔壁や外壁パネルに適している。また、化学反応によって放出されるアンモニアは汚染副産物であり、安全に処理または回収する必要がある。Antorveza Paezは、「この化学副産物の処理を考慮しない限り、生物セメントを使用して建設することは残念ながら持続可能ではありません」と付け加えている。

2025年のヴェネツィア建築ビエンナーレでは、訪問者の前で生物セメント構造がリアルタイムで成長する様子を展示する6か月間のインスタレーションが行われ、自動化建設の可能性を示した。科学者たちは細菌が建築材料を成長させることができることを証明している。現在、競争はこれらの材料を私たちの都市を支えるのに十分な強度にすることにある。

生物セメント技術の発展と課題

この研究は、細菌と砂を利用して建築材料を製造する可能性、特に炭素排出量の削減に貢献することを示している。生物セメントは強度の面で構造コンクリートのレベルには達していないが、非構造体における応用は依然として魅力的である。また、化学副産物の処理問題は、持続可能な建築材料の開発における複雑さを浮き彫りにしている。技術の進歩に伴い、将来的にはより多くの革新的な解決策が登場し、建築業界をより環境に優しい方向に推進する可能性がある。