كيف تعمل الخرسانة ذاتية الشفاء؟
نظرا لأن سكاننا العالميين سريعي النمو يجهدون الموارد الطبيعية المتضائلة على كوكب الأرض، يتطلع العلماء إلى مواد أكثر استدامة. المهندس الجيوبيئي مايكل هاربوتل يملأنا.
التقنيات الصناعية
© كوماروف ديمتري/stock.adobe.com
تتجه سياسات الاتحاد الأوروبي بشكل متزايد نحو اقتصاد أكثر دائرية، مدفوعا بمواد وتقنيات وممارسات وسلوك أكثر استدامة. غالبا ما تستشهد الجهود المبذولة لتقليل النفايات التي لا داعي لها ب "الخمسة روبية" - الرفض أو التخفيض أو إعادة الاستخدام (أو الإصلاح) أو إعادة الاستخدام وإعادة التدوير - كوسيلة لتحقيق ذلك. في الوقت الحالي، يعني إصلاح الأضرار أو التدهور في البنية التحتية المادية، مثل الطرق أو المباني، استبدال مواد البناء الأصلية. لا يكون هذا مكلفا ماليا وبيئيا فحسب، بل يمكن أن يضر أيضا بالسلامة الهيكلية والجماليات.
هل هناك بديل أكثر خضرارا؟
وفقا لهاربوتل: "لقد أعطى التطور النباتات والحيوانات عددا لا يحصى من الطرق لشفاء أنفسهم عند إصابتهم. يمكننا أن نتعلم الكثير من الطبيعة عند تصميم بيئتنا المبنية." على سبيل المثال، عندما نكسر العظام، بعد ذلك بوقت قصير تضيق الأوعية الدموية حول الكسر وتشكل جلطة لوقف المزيد من النزيف. ثم تبدأ الأنسجة الليفية اللينة والغضاريف في تكوين مادة تشبه العظام تسمى الكالوس. ثم تتطور خلايا عظمية جديدة على جانبي الكسر تنمو معا وتمتص الكسوس لإنشاء عظم جديد. من خلال العمل في جامعة كارديف في المملكة المتحدة، شارك هاربوتل في سلسلة من المبادرات لتطوير مواد البناء التي تسخر العمليات البيولوجية للحفاظ على البنية التحتية الحالية، والحد من الصيانة والبناء الجديد. في مشروع GEOHEAL، الممول من برنامج Marie Skłodowska-Curie Actions، استفاد Harbottle من قدرة البكتيريا على تمعدن الكالسيت الذي يمكنه بعد ذلك "إصلاح" المواد الطبيعية مثل الحجر الجيري والحجر الرملي الذي غالبا ما يستخدم في البناء. تزرع البكتيريا القوية المستخدمة، Sporosarcina ureae، كجراثيم إلى جانب العناصر الغذائية المطلوبة. مع نموها، تنتج البكتيريا كربونات الكالسيوم التي تتصلب إلى بلورات الكالسيت التي يمكن أن ترتبط بالحجر الجيري والغراء حبيبات الحجر الرملي معا. يوضح هاربوتل: "كونه مساميا، يمكن أن يستضيف البناء مجموعة من الكائنات الحية الدقيقة النشطة، لذلك يمكن تطبيق هذا العلاج عن طريق البخاخات أو الدهانات أو الكبسولات التي يتم إدخالها في المسام، وإصلاح المادة مع الاحتفاظ بقدرتها على "التنفس". اكتشف هاربوتل أيضا أن البكتيريا يمكن أن تقدم حلا دوريا. عندما يتم خلط البكتيريا الخاملة في عجينة هاون، يمكن إعادة تنشيطها باستمرار عندما تظهر الشقوق في الملاط.
جيد كالجديد؟
"تخلق البكتيريا نوعا من الأنسجة الندبية." يقول هاربوتل إن مدى قرب هذا من التجديد بالضبط، يعتمد على المادة". "نظرا لأن الحجر الجيري يحتوي على الكثير من الكالسيوم والكربونات المتاحة، فمن المحتمل أن بعض الكالسيت المشكلة حديثا يحتوي على معادن من المادة الأصلية "أعيد ترتيبها" بواسطة البكتيريا." وفقا لهاربوتل، ربما يكون الإصلاح الناتج مشابها جدا للمادة الأصلية، ويستعيد خصائصه، مثل القوة ومرونة الطقس. كما يشير هاربوتل، تم تطبيق الشفاء الذاتي كمفهوم على نطاق واسع على مواد أخرى، بما في ذلك البوليمرات والأسفلت، وكذلك الخرسانة. ويضيف هاربوتل: "أعتقد أنه تم التحقيق فيه أيضا في المعادن ولكن هذا لن يشمل البكتيريا، وهو الأنسب في مواد البناء لأنها تنطوي على عمليات إنتاج المعادن". في حين أن هاربوتل لم يرغب في الابتعاد كثيرا عن مجال خبرته الخاصة، إلا أنه سمح بإلقاء نظرة خاطفة على المستقبل المحتمل لمواد البناء الذكية. "قبل أن يتمكن الكائن الحي من الشفاء الذاتي، يجب أن يعرف أولا أنه مصاب." لقد استكشف العمل الأخير في المملكة المتحدة أنظمة الاستشعار والتشتمثيل - مما يمنح المواد القدرة على اكتشاف التدهور وتحليل الخيارات ثم تحديد ما يجب القيام به، دون تدخل بشري". "في المستقبل، قد يكون من الممكن تطوير أنظمة إصلاح ذاتي مستقلة تماما، ولكن سيتعين عليهم حصاد المواد الكيميائية والطاقة اللازمة لإنتاج عامل إصلاح من بيئتهم المحيطة."
إذن متى سيتم إصلاح شارعنا الرئيسي ذاتيا؟
يواجه حل هاربوتل الذي يحركه البكتيريا حاليا عددا من التحديات. الأول هو العرض - تم الحصول على بكتيريا هاربوتل من مختبره، ولكن للاستخدام السائد، يجب الحصول على البكتيريا الأصلية بكميات كبيرة، ويجب تجربتها قبل الاستخدام. هناك قيد آخر هو الطلب. صناعة البناء متحفظة بحق عندما يتعلق الأمر بالمواد الجديدة، بالنظر إلى الآثار المدمرة المحتملة للفشل. كما يشير هاربوتل، لا توجد مخاطر السلامة فحسب، بل توجد أيضا مخاطر جمالية لترميم التراث. "نحن بحاجة إلى بناء أدلة - التورية المقصودة - عبر مجموعة من الهياكل لكسب ثقة المستخدمين المحتملين." يضيف هاربوتل: "ربما تعطي الأولوية أولا للبيئات غير الحرجة للسلامة أو العناصر التجميلية غير الهيكلية مثل الرصف أو الواجهات".
نظرا لأن سكاننا العالميين سريعي النمو يجهدون الموارد الطبيعية المتضائلة على كوكب الأرض، يتطلع العلماء إلى مواد أكثر استدامة. المهندس الجيوبيئي مايكل هاربوتل يملأنا.
التقنيات الصناعية
© كوماروف ديمتري/stock.adobe.com
تتجه سياسات الاتحاد الأوروبي بشكل متزايد نحو اقتصاد أكثر دائرية، مدفوعا بمواد وتقنيات وممارسات وسلوك أكثر استدامة. غالبا ما تستشهد الجهود المبذولة لتقليل النفايات التي لا داعي لها ب "الخمسة روبية" - الرفض أو التخفيض أو إعادة الاستخدام (أو الإصلاح) أو إعادة الاستخدام وإعادة التدوير - كوسيلة لتحقيق ذلك. في الوقت الحالي، يعني إصلاح الأضرار أو التدهور في البنية التحتية المادية، مثل الطرق أو المباني، استبدال مواد البناء الأصلية. لا يكون هذا مكلفا ماليا وبيئيا فحسب، بل يمكن أن يضر أيضا بالسلامة الهيكلية والجماليات.
هل هناك بديل أكثر خضرارا؟
وفقا لهاربوتل: "لقد أعطى التطور النباتات والحيوانات عددا لا يحصى من الطرق لشفاء أنفسهم عند إصابتهم. يمكننا أن نتعلم الكثير من الطبيعة عند تصميم بيئتنا المبنية." على سبيل المثال، عندما نكسر العظام، بعد ذلك بوقت قصير تضيق الأوعية الدموية حول الكسر وتشكل جلطة لوقف المزيد من النزيف. ثم تبدأ الأنسجة الليفية اللينة والغضاريف في تكوين مادة تشبه العظام تسمى الكالوس. ثم تتطور خلايا عظمية جديدة على جانبي الكسر تنمو معا وتمتص الكسوس لإنشاء عظم جديد. من خلال العمل في جامعة كارديف في المملكة المتحدة، شارك هاربوتل في سلسلة من المبادرات لتطوير مواد البناء التي تسخر العمليات البيولوجية للحفاظ على البنية التحتية الحالية، والحد من الصيانة والبناء الجديد. في مشروع GEOHEAL، الممول من برنامج Marie Skłodowska-Curie Actions، استفاد Harbottle من قدرة البكتيريا على تمعدن الكالسيت الذي يمكنه بعد ذلك "إصلاح" المواد الطبيعية مثل الحجر الجيري والحجر الرملي الذي غالبا ما يستخدم في البناء. تزرع البكتيريا القوية المستخدمة، Sporosarcina ureae، كجراثيم إلى جانب العناصر الغذائية المطلوبة. مع نموها، تنتج البكتيريا كربونات الكالسيوم التي تتصلب إلى بلورات الكالسيت التي يمكن أن ترتبط بالحجر الجيري والغراء حبيبات الحجر الرملي معا. يوضح هاربوتل: "كونه مساميا، يمكن أن يستضيف البناء مجموعة من الكائنات الحية الدقيقة النشطة، لذلك يمكن تطبيق هذا العلاج عن طريق البخاخات أو الدهانات أو الكبسولات التي يتم إدخالها في المسام، وإصلاح المادة مع الاحتفاظ بقدرتها على "التنفس". اكتشف هاربوتل أيضا أن البكتيريا يمكن أن تقدم حلا دوريا. عندما يتم خلط البكتيريا الخاملة في عجينة هاون، يمكن إعادة تنشيطها باستمرار عندما تظهر الشقوق في الملاط.
جيد كالجديد؟
"تخلق البكتيريا نوعا من الأنسجة الندبية." يقول هاربوتل إن مدى قرب هذا من التجديد بالضبط، يعتمد على المادة". "نظرا لأن الحجر الجيري يحتوي على الكثير من الكالسيوم والكربونات المتاحة، فمن المحتمل أن بعض الكالسيت المشكلة حديثا يحتوي على معادن من المادة الأصلية "أعيد ترتيبها" بواسطة البكتيريا." وفقا لهاربوتل، ربما يكون الإصلاح الناتج مشابها جدا للمادة الأصلية، ويستعيد خصائصه، مثل القوة ومرونة الطقس. كما يشير هاربوتل، تم تطبيق الشفاء الذاتي كمفهوم على نطاق واسع على مواد أخرى، بما في ذلك البوليمرات والأسفلت، وكذلك الخرسانة. ويضيف هاربوتل: "أعتقد أنه تم التحقيق فيه أيضا في المعادن ولكن هذا لن يشمل البكتيريا، وهو الأنسب في مواد البناء لأنها تنطوي على عمليات إنتاج المعادن". في حين أن هاربوتل لم يرغب في الابتعاد كثيرا عن مجال خبرته الخاصة، إلا أنه سمح بإلقاء نظرة خاطفة على المستقبل المحتمل لمواد البناء الذكية. "قبل أن يتمكن الكائن الحي من الشفاء الذاتي، يجب أن يعرف أولا أنه مصاب." لقد استكشف العمل الأخير في المملكة المتحدة أنظمة الاستشعار والتشتمثيل - مما يمنح المواد القدرة على اكتشاف التدهور وتحليل الخيارات ثم تحديد ما يجب القيام به، دون تدخل بشري". "في المستقبل، قد يكون من الممكن تطوير أنظمة إصلاح ذاتي مستقلة تماما، ولكن سيتعين عليهم حصاد المواد الكيميائية والطاقة اللازمة لإنتاج عامل إصلاح من بيئتهم المحيطة."
إذن متى سيتم إصلاح شارعنا الرئيسي ذاتيا؟
يواجه حل هاربوتل الذي يحركه البكتيريا حاليا عددا من التحديات. الأول هو العرض - تم الحصول على بكتيريا هاربوتل من مختبره، ولكن للاستخدام السائد، يجب الحصول على البكتيريا الأصلية بكميات كبيرة، ويجب تجربتها قبل الاستخدام. هناك قيد آخر هو الطلب. صناعة البناء متحفظة بحق عندما يتعلق الأمر بالمواد الجديدة، بالنظر إلى الآثار المدمرة المحتملة للفشل. كما يشير هاربوتل، لا توجد مخاطر السلامة فحسب، بل توجد أيضا مخاطر جمالية لترميم التراث. "نحن بحاجة إلى بناء أدلة - التورية المقصودة - عبر مجموعة من الهياكل لكسب ثقة المستخدمين المحتملين." يضيف هاربوتل: "ربما تعطي الأولوية أولا للبيئات غير الحرجة للسلامة أو العناصر التجميلية غير الهيكلية مثل الرصف أو الواجهات".
من فضلك,
تسجيل الدخول
أو
تسجيل
لعرض المحتوي!
