นักวิทยาศาสตร์ใช้แบคทีเรียและทรายในการผลิตวัสดุก่อสร้างที่ยั่งยืนโดยไม่ต้องใช้ความร้อนสูง

เพื่อสร้างเมืองที่ยั่งยืน นักวิทยาศาสตร์จากสถาบันเทคโนโลยีแห่งซูริก (ETH Zurich) กำลังมองไปที่สิ่งมีชีวิตที่เล็กที่สุดบนโลก โดยสถาปนิกและนักวิจัย Karen Antorveza Paez ได้นำชีววิทยามาผสมผสานกับการผลิตดิจิทัล โดยใช้แบคทีเรียที่มีชีวิต ทราย และเทคโนโลยีหุ่นยนต์ในการผลิตส่วนประกอบก่อสร้างที่แข็งแรง โดยไม่ต้องเผาผลาญเชื้อเพลิงฟอสซิลใด ๆ การพัฒนานี้มุ่งเป้าไปที่หนึ่งในสาเหตุที่ใหญ่ที่สุดของปัญหาสิ่งแวดล้อมทั่วโลก การผลิตซีเมนต์คิดเป็นประมาณ 8% ของการปล่อยคาร์บอนทั่วโลก ซึ่งเกิดจากการที่ส่วนประกอบสำคัญต้องถูกเผาในเตาเผาขนาดใหญ่ที่มีอุณหภูมิสูงมาก

Antorveza Paez ได้ใช้แบคทีเรียที่สามารถผลิต “กาวแร่ธาตุ” ซึ่งเป็นแบคทีเรียในดินที่ไม่ต้องการการบำบัดด้วยความร้อน — Sporosarcina pasteurii เธอชี้ให้เห็นว่า “เรากำลังใช้แบคทีเรียในการผลิตกาวแร่ธาตุ” หุ่นยนต์แขนกลจะทำการฉีดแบคทีเรีย สารที่จำเป็นสำหรับการตกผลึก และทรายลงบนพื้นผิวซ้ำ ๆ เพื่อให้เกิดการเจริญเติบโตเป็นชั้น ๆ

แบคทีเรียช่วยในการผลิตวัสดุก่อสร้างอย่างไร

ไมโครไบโอต้องการการตกตะกอนของแคลเซียมคาร์บอเนตโดยไม่ต้องใช้เตาเผา ทำให้แบคทีเรียที่มีชีวิตสามารถรวมทรายและอนุภาคหลวมเข้าด้วยกันเป็นส่วนประกอบที่แข็งแรงได้โดยไม่ต้องใช้ความร้อนสูง แม้ว่าความคิดนี้จะไม่ใหม่ แต่ผู้เชี่ยวชาญได้พิจารณาถึงความเป็นไปได้ในการสร้างโครงสร้างบนดาวอังคารด้วยวิธีนี้ แบคทีเรียจะสร้างไอออนคาร์บอเนตในส่วนผสมโดยการย่อยสลายยูเรียด้วยเอนไซม์ตามธรรมชาติ เมื่อไอออนเหล่านี้มีปฏิกิริยากับแคลเซียมคลอไรด์ จะเกิดผลึกหินปูนขนาดเล็ก ซึ่งจะพันกันกับเม็ดทรายทางกลที่อุณหภูมิห้อง ทำให้วัสดุแข็งตัว Antorveza Paez อธิบายว่า “มันคล้ายกับการอบเค้ก แป้งที่คุณมียังคงมีความยืดหยุ่นและเปราะบางมาก จนกระทั่งเตาอบทำให้มันกลายเป็นวัสดุที่แข็งแรง

”ในงานของเธอ แบคทีเรียทำหน้าที่เป็นเตาอบ

ความท้าทายและการประยุกต์ใช้ซีเมนต์ชีวภาพ

ทีมงานได้พัฒนาวิธีการผลิตดิจิทัลสองวิธีเพื่อสร้างองค์ประกอบซีเมนต์ชีวภาพ นักวิจัยใช้หมึกชีวภาพที่กำหนดเอง ซึ่งประกอบด้วยน้ำ ยางธรรมชาติ ทราย และแบคทีเรียที่มีชีวิต เพื่อพัฒนากระบวนการพิมพ์ 3D หลังจากการพิมพ์ รูปทรงจะผ่านการแช่แร่ธาตุเป็นเวลา 2 ถึง 5 วัน โดยมีการอัปเดตทุกวันเพื่อให้สารอาหารที่จำเป็น เช่นเดียวกับเตาอบ แบคทีเรียจะทำให้วัสดุแข็งตัวที่อุณหภูมิห้อง โดยเมื่อแห้งแล้วจะเหลือส่วนประกอบแร่ที่แข็งตัวอย่างสมบูรณ์ซึ่งไม่มีชีวิต

อย่างไรก็ตาม ความท้าทายด้านความแข็งแรงยังคงมีอยู่ วิธีการที่สองคือการใช้แขนกลฉีดทราย แบคทีเรีย และสารแร่เป็นชั้น ๆ ลงบนพื้นผิว โดยได้รับแรงบันดาลใจจากโครงสร้างหินไมโครไบโอตามธรรมชาติ เช่น สโตรมาโทไลต์ เธอกล่าวว่า “ในฐานะที่เป็นสถาปนิก เรามักจะไม่รู้ว่ามีอะไรอยู่ในวัสดุ — มันถูกผลิตขึ้นที่อื่น” เธอรู้สึกทึ่งกับวิธีการที่ธรรมชาติหาวิธีผลิตวัสดุที่ซับซ้อนสูง และหวังว่าจะใช้สิ่งนี้ในการแก้ปัญหาที่มีอยู่ในปัจจุบัน นี่เป็นวิธีที่มีแนวโน้ม แต่ซีเมนต์ชีวภาพยังไม่พร้อมที่จะทดแทนคอนกรีตโครงสร้าง

ในปัจจุบัน ความแข็งแรงของมันใกล้เคียงกับปูนฉาบมากกว่า เหมาะสำหรับใช้ในองค์ประกอบที่ไม่รับน้ำหนัก เช่น ผนังกั้นหรือแผ่นผนังภายนอก นอกจากนี้ ผลิตภัณฑ์เคมีที่ปล่อยออกมาจากปฏิกิริยาคือแอมโมเนียซึ่งเป็นสารปนเปื้อนรองที่ต้องได้รับการจัดการอย่างปลอดภัยหรือรีไซเคิล Antorveza Paez เสริมว่า “เว้นแต่เราจะพิจารณาการจัดการผลิตภัณฑ์เคมีรองนี้ การใช้ซีเมนต์ชีวภาพในการก่อสร้างจึงไม่ยั่งยืนอย่างน่าเศร้า”

ในงาน Venice Architecture Biennale 2025 ได้มีการติดตั้งเป็นระยะเวลา 6 เดือน แสดงให้เห็นถึงการเจริญเติบโตของโครงสร้างซีเมนต์ชีวภาพแบบเรียลไทม์ต่อหน้าผู้เข้าชม แสดงให้เห็นถึงศักยภาพของการก่อสร้างอัตโนมัติ นักวิทยาศาสตร์ได้พิสูจน์แล้วว่าแบคทีเรียสามารถผลิตวัสดุก่อสร้างได้ ขณะนี้การแข่งขันอยู่ที่การทำให้วัสดุเหล่านี้แข็งแรงพอที่จะรองรับเมืองของเรา

การพัฒนาและความท้าทายของเทคโนโลยีซีเมนต์ชีวภาพ

การศึกษานี้แสดงให้เห็นถึงศักยภาพในการใช้แบคทีเรียและทรายในการผลิตวัสดุก่อสร้าง โดยเฉพาะอย่างยิ่งในด้านการลดการปล่อยคาร์บอน แม้ว่าซีเมนต์ชีวภาพยังไม่สามารถเทียบเท่าความแข็งแรงของคอนกรีตโครงสร้างได้ แต่การประยุกต์ใช้ในองค์ประกอบที่ไม่รับน้ำหนักยังคงมีความน่าสนใจ นอกจากนี้ ปัญหาการจัดการผลิตภัณฑ์เคมีรองยังเน้นถึงความซับซ้อนในการพัฒนาวัสดุก่อสร้างที่ยั่งยืน ด้วยความก้าวหน้าของเทคโนโลยี อาจมีนวัตกรรมใหม่ ๆ เกิดขึ้นในอนาคต ซึ่งจะช่วยผลักดันอุตสาหกรรมการก่อสร้างไปในทิศทางที่เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมมากขึ้น