要約:
チューリッヒのスイス連邦工科大学の研究者らは、生きたバクテリアを使用して緩い砂粒を組み合わせて強力な建築部品を作る新しい建築材料製造技術を開発しました。大量のエネルギーを消費し、高温で焼成される従来のセメント製造とは異なり、バイオセメンテーションと呼ばれるこの技術は、室温で鉱物の固化を完了することができ、建設業界により環境に優しい材料製造ソリューションを提供することが期待されています。
セメントは現代の建設業界で最も重要な基礎材料の 1 つですが、伝統的なポルトランド セメントの製造では原材料を高温に加熱する必要があり、大量のエネルギーを消費し、大量の二酸化炭素を排出します。したがって、エネルギー消費と炭素排出量を削減できる代替材料を見つけることは、建築材料研究の分野において常に重要な方向性でした。この研究の核となる考え方は、従来のセメント焼成プロセスを再設計するのではなく、微生物そのものの代謝活動を利用して砂粒子の間に天然ミネラルを形成し、元々バラバラだった粒子を一定の強度を持った全体に結合させることです。
研究チームが使用した細菌は、Sporosarcina pasturii と呼ばれます。適切な条件下では、この細菌は炭酸カルシウムの生成を促進します。炭酸カルシウムは、石灰石、チョーク、貝殻などの天然素材に広く含まれています。それが沈殿して砂粒子の間に小さな結晶を形成すると、鉱物結合剤として機能し、砂粒子を結合して一定の強度を備えた固体材料を形成します。
このプロセスは微生物誘発炭酸カルシウム沈殿 (MICP) と呼ばれ、バイオセメンテーション技術としても知られています。研究者らはこれまでに、土壌補強、基礎の安定化、コンクリートの亀裂修復などの分野でそれを使用しようと試みてきた。このチューリッヒ工科大学の研究が異なるのは、既存の材料の特性を改善するためにバクテリアを使用するだけではなく、砂を直接加工して独立した建築材料を作ろうとしていることです。
カレン・アントルベザ・パエス率いる研究チームは、2 つの製造方法を提案しました。最初の方法は、バイオセメンテーション技術と 3D プリンティングを組み合わせたものです。研究者らは、水、砂、生きた細菌、および関連する化学成分を含む特殊なバイオインクを開発しました。この混合物はゲル状の粘稠度を有しており、3D プリント装置を使用して所定の形状に成形して、構造的に複雑な建築コンポーネントを作成できます。
印刷後、コンポーネントを尿素と塩化カルシウムを含む溶液に約 3 日間浸す必要があります。このプロセス中に、バクテリアが鉱物結晶の形成を促進し、砂粒子が徐々に合体します。続いて、構成要素を室温で約 2 日間乾燥させると、バクテリアの活動がなくなり、最終的に固体の構造が形成されます。印刷から完全な硬化までの全プロセスには最大約 5 日間かかり、従来の高温焼成装置を使用する必要はありません。
研究者らはこのプロセスをケーキを焼くことに例えました。最初に形成された材料は柔らかいままで簡単に変形しやすいため、強力な構造を実現するにはその後の加工が必要です。違いは、従来のベーキングは硬化を完了するために熱に依存するのに対し、この技術はミネラル生成を促進し、室温で同様の変化を完了するためにバクテリアに依存することです。
2 番目の方法では、ロボット スプレー技術を使用します。ロボットアームが砂、バクテリア、石化に必要な物質を対象表面に順番に吹き付け、重ね合わせることで多層構造を形成します。炭酸カルシウムが蓄積すると、砂の層が結合して固体の表面または建築コンポーネントを形成します。研究チームはこのシステムを 6 か月間継続的に稼働させ、作業を自動化し、継続的な人間の介入への依存を減らす可能性を実証しました。
どちらの方法にも、それぞれ適用可能なシナリオがあります。 3D プリンティングは、複雑な形状や特定の形状を持つ建築部品の製造に適しており、ロボットによるスプレーは、建築材料を表面に層ごとに塗布するのに適しています。研究チームはこの技術を用いて建物のファサード部品を作製しており、将来的には日よけ設備や間仕切り壁などの建物部品への利用が期待されています。
しかし、この技術は大規模な商業応用にはまだ程遠いです。重要な問題の 1 つは、製造プロセスからの副産物です。 3D プリンティング方法で使用される鉱化溶液は、適切に扱わないと環境に有害なアンモニウムベースの物質を生成します。研究者は、生産をさらにスケールアップするために効果的なリサイクルまたは中和方法を見つける必要があります。そうしないと、この材料の環境上の利点が制限される可能性があります。
材料の強度も解決すべき重要な問題です。研究チームは現時点では、この種のバイオセメントは耐力コンクリートを直接代替できる構造材料というよりはモルタルに近いと考えている。モルタルは主にレンガの接着や目地の充填に使用され、コンクリートは床、柱、基礎などの耐荷重構造物に広く使用されています。バイオセメントをより広範囲の建設プロジェクトで使用するには、さまざまな環境条件下での機械的特性、長期耐久性、安定性をさらに検証する必要があります。
さらに、砂粒子のサイズと粒子の配置方法も、最終的な材料の特性に影響します。研究者は、原材料と製造パラメータを調整することで、より安定した強度と構造特性を実現する方法をまだ模索しています。これは、将来の研究では、細菌によって誘発される石灰化のプロセスを改善するだけでなく、さまざまな建築用途に適した材料設計と品質管理基準を確立する必要があることを意味します。
これらの制限にもかかわらず、この研究は建築材料製造における新しい方向性を示しています。それは、微生物を使用して粒子間のミネラルの成長を誘導することにより、天然粒状材料を特定の形状と特性を持つ建築コンポーネントに変換するというものです。副産物の処理、材料強度、大規模生産などの問題が将来的に解決できれば、バイオセメンテーション技術は一部の伝統的なモルタルや建築部材の生産に適用され、高エネルギー消費の製造プロセスへの依存が軽減されることが期待されます。
従来のコンクリートを直接置き換える場合と比較して、この技術のより現実的な短期目標は、まず主要でない耐荷重コンポーネントや建築表面材料などの応用分野に参入することです。研究チームの結果は、バクテリアが土壌強化や建物の修復に関与するだけでなく、新しい建築材料を製造するためのツールにもなる可能性があり、建設業界におけるエネルギー消費と炭素排出量を削減するための新たな技術的道を提供する可能性があることを示している。
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