Мини заводы строительных материалов: Мини заводы

Здания, выращенные бактериями. Новое исследование находит способы превратить клетки в мини-фабрики по производству материалов.

Здания мало чем отличаются от человеческого тела. У них есть кости и кожа; они дышат. Электрифицированные, они потребляют энергию, регулируют температуру и производят отходы. Здания — это организмы, пусть и неодушевленные.

Но что, если бы здания — стены, крыши, полы, окна — были на самом деле живыми — выращивались, поддерживались и лечились живыми материалами? Представьте себе архитекторов, использующих генетические инструменты, которые кодируют архитектуру здания прямо в ДНК организмов, которые затем выращивают здания, которые самовосстанавливаются, взаимодействуют с их обитателями и адаптируются к окружающей среде.

Живая архитектура переходит из области научной фантастики в лабораторию, поскольку междисциплинарные группы исследователей превращают живые клетки в микроскопические фабрики. В Университете Колорадо в Боулдере я возглавляю Лабораторию живых материалов. Вместе с сотрудниками в области биохимии, микробиологии, материаловедения и проектирования конструкций мы используем наборы инструментов синтетической биологии для конструирования бактерий, создания полезных минералов и полимеров и превращения их в живые строительные блоки, которые однажды смогут оживить здания.

В одном исследовании, опубликованном в Scientific Reports, мы с коллегами генетически запрограммировали E. coli для создания частиц известняка различной формы, размера, жесткости и прочности. В другом исследовании мы показали, что кишечная палочка может быть генетически запрограммирована на производство стирола — химического вещества, используемого для производства пенополистирола, широко известного как пенополистирол.

Зеленые клетки для зеленого строительства

В нашей последней работе, опубликованной в Matter, мы использовали фотосинтезирующие цианобактерии, чтобы помочь нам вырастить структурный строительный материал, и мы сохранили его живым. Подобно водорослям, цианобактерии — это зеленые микроорганизмы, встречающиеся повсюду в окружающей среде, но наиболее известные тем, что они растут на стенках вашего аквариума. Вместо того, чтобы выделять CO2, цианобактерии используют CO2 и солнечный свет для роста и в правильных условиях создают биоцемент, который мы использовали, чтобы помочь нам связать частицы песка вместе, чтобы сделать живой кирпич.

Поддерживая жизнь цианобактерий, мы смогли производить строительные материалы в геометрической прогрессии. Мы взяли один живой кирпич, разделили его пополам и вырастили из половинок два полноценных кирпича. Два полных кирпича превратились в четыре, а четыре — в восемь. Вместо того, чтобы создавать один кирпич за раз, мы использовали экспоненциальный рост бактерий для выращивания множества кирпичей одновременно, демонстрируя совершенно новый метод производства материалов.

Исследователи коснулись лишь поверхностного потенциала искусственных живых материалов. Другие организмы могут придавать материальным строительным блокам другие жизненные функции. Например, различные бактерии могут производить материалы, которые восстанавливают себя, ощущают и реагируют на внешние раздражители, такие как давление и температура, или даже светятся. Если природа может это сделать, то и живые материалы могут быть созданы для этого.

Кроме того, на производство жилых зданий уходит меньше энергии, чем на стандартные. Производство и транспортировка современных строительных материалов требует много энергии и выделяет много CO2. Например, известняк сжигают для производства цемента для бетона. Металлы и песок добываются и переплавляются для производства стали и стекла. На производство, транспортировку и сборку строительных материалов приходится 11% глобальных выбросов CO2. Только производство цемента составляет 8%. Напротив, некоторые живые материалы, такие как наши кирпичи с цианобактериями, действительно могут улавливать CO2.

Растущая область

Группы исследователей со всего мира демонстрируют мощь и потенциал искусственных живых материалов в различных масштабах, включая электропроводящие биопленки, одноклеточные живые катализаторы для реакций полимеризации и живые фотоэлектрические элементы. Исследователи создали живые маски, которые чувствуют и сообщают о воздействии токсичных химических веществ. Исследователи также пытаются выращивать и собирать объемные материалы из генетически запрограммированной одиночной клетки.

В то время как размер отдельных клеток часто меньше микрона — одной тысячной миллиметра, — достижения в области биотехнологии и 3D-печати позволяют производить коммерческое производство живых материалов в человеческом масштабе. Ecovative, например, выращивает пенообразные материалы с использованием грибкового мицелия. Biomason производит биоцементные блоки и керамическую плитку с использованием микроорганизмов. Хотя эти продукты становятся безжизненными в конце производственного процесса, исследователи из Делфтского технологического университета разработали способ инкапсуляции и 3D-печати живых бактерий в многослойные структуры, которые могут излучать свет при столкновении с определенными химическими веществами.

Область инженерных живых материалов находится в зачаточном состоянии, и необходимы дальнейшие исследования и разработки, чтобы преодолеть разрыв между лабораторными исследованиями и коммерческой доступностью. Проблемы включают стоимость, тестирование, сертификацию и расширение производства. Потребительское признание — другой вопрос. Например, строительная отрасль негативно относится к живым организмам. Подумайте о плесени, грибке, пауках, муравьях и термитах. Мы надеемся изменить это восприятие. Исследователи, работающие с живыми материалами, также должны решать проблемы безопасности и биологического загрязнения.

Национальный научный фонд недавно назвал искусственные живые материалы одним из ключевых приоритетов исследований в стране. Синтетическая биология и искусственные живые материалы будут играть решающую роль в решении проблем, с которыми человечество столкнется в 2020-х годах и далее: изменение климата, устойчивость к стихийным бедствиям, стареющая и перегруженная инфраструктура, а также освоение космоса.

Если бы у человечества был пустой ландшафт, как бы люди строили вещи? Зная то, что известно ученым сейчас, я уверен, что мы не стали бы сжигать известняк для производства цемента, добывать руду для производства стали или плавить песок для производства стекла.

[ Узнайте факты о коронавирусе и последних исследованиях. Подпишитесь на нашу рассылку.]

Производители производят строительные материалы на растительной основе в сельской Америке

Рассмотрим историю о трех поросятах и ​​их трех домиках. Под воздействием пыхтения и пыхтения Большого Злого Волка соломенный дом рухнул, а бревенчатый дом рухнул, но кирпичный дом остался стоять. Назовите это победой кирпичной промышленности или аллегорией кажущейся стойкости минеральных материалов над кажущейся скоротечностью растений. Но производители в США теперь рассказывают другую историю, представляя солому и ветки как логичный выбор материала для жилищного строительства и крупную возможность обратить вспять воздействие современного строительства на климат.

В настоящее время на здания приходится примерно 40 процентов нашего глобального углеродного следа, но мы можем уменьшить это воздействие, перейдя на материалы на биологической основе и используя присущую растениям способность аккумулировать углерод.

Для Фредерика цифры указывают на соломинку. Побочный продукт широко возделываемых зерновых культур, солома содержит от 45 до 50 процентов атмосферного углерода по массе, а мировой урожай зерновой соломы составляет ежегодное сокращение выбросов углерода, примерно равное годовым выбросам Индии. В настоящее время большая часть этой просадки нейтрализуется сжиганием или разложением. Использование соломы в качестве изолирующей массы в панелях Крофта означает, что углерод не вернется в атмосферу, пока здание не будет снесено. «Если вы решаете здания, — сказал Фредерик, — вы решаете почти половину проблемы [углерода]. И есть другие компании по улавливанию углерода, которые предлагают эти передовые технологии, требующие невероятных ресурсов и финансовых вложений для создания совершенно новой инфраструктуры вокруг климата. И у нас есть очень простое, прагматичное, низкотехнологичное решение по преобразованию целого сектора из выброса углерода в сектор улавливания углерода. И мы можем сделать это сегодня».

Фредерик основал Croft в 2020 году с сотрудником, работающим неполный рабочий день, и парой ремней с храповым механизмом. Теперь у него есть команда из десяти человек и список ожидания. «Мы получили прибыль с первого дня». В то время как климатический кризис находится в центре внимания Крофта («Если бы мне пришлось описать Крофта в одном предложении, — заявил Фредерик, — мы компания по улавливанию углерода»), доступность и доступность соломы в сочетании с групповым подходом позволяет Крофту достижения критических показателей скорости, качества и стоимости. Компания Croft закупает органическую солому для нулевой обработки почвы с ферм, расположенных менее чем в 100 милях от ее производства в Рокленде, штат Мэн (население 7011 человек), и производит панели с суперизоляцией, которые обладают исключительными характеристиками. «Это быстрее, дешевле, проще, а здание будет работать лучше и прослужит дольше», — говорит Фредерик. «Что не нравится?»

В восьмидесяти милях от побережья, в Мэдисоне (население 4726 человек), другая компания открыла цех на недавно закрытой бумажной фабрике. Компания TimberHP, первый в США производитель древесноволокнистых изоляционных материалов для сухой обработки, использует древесное волокно из отходов, ранее предназначенное для блестящих вставок в каталогах JCPenney, и вместо этого превращает его в высокоэффективную нетоксичную изоляцию. Компания TimberHP, основанная в 2017 году химиком-материаловедом Джошуа Генри и архитектором Мэттом О’Малия, наводит мосты между двумя отраслями ради взаимной экономической выгоды. «У вас есть рынок изоляционных материалов, не знакомый с рынком лесной продукции, и рынок лесных товаров, не знакомый с рынком изоляционных материалов», — сказал Скотт Дионн, руководитель отдела маркетинга TimberHP. «Вам нужен кто-то, кто войдет туда и скажет: «Есть брешь. И это решает проблемы с обеих сторон»9.0003 (Courtesy TimberHP)

Восемьдесят девять процентов земель штата Мэн покрыты лесами, а местные лесопилки производят постоянный поток отходов древесного волокна. (Только от 30 до 40 процентов древесины в круглом бревне фактически превращается в пиломатериалы.) «Одна вещь, которую нужно уточнить, это то, что мы действительно используем поток отходов. Эти продукты будут либо сожжены, либо отправлены на свалку. Мы создаем высококачественный композит из дешевого материала», — объяснила Дионн. В 2022 году TimberHP начала модернизацию бумажной фабрики с помощью бывших операторов завода. HP — это сокращение от миссии компании: «Высокая производительность, здоровые люди, здоровая планета». Начиная с этого года, он будет производить вдуваемую, ватную и жесткую изоляцию: нетоксичную, перерабатываемую и паронепроницаемую альтернативу стандартному стекловолокну и минеральной вате. 9Изоляция 0003 HempWool нетоксична и изготовлена ​​из материалов на биологической основе. (Стивен Басби)(Стивен Басби)

Как и TimberHP, Hempitecture также создает новые возможности для сельской экономики, создавая первое в своем роде производственное предприятие. Основательница Мэтти Мид запустила Hempitecture после окончания колледжа в 2012 году, чтобы решить проблему ошеломляющего количества отходов, создаваемых строительной отраслью. Первоначальные эксперименты с конопляным бетоном, нетоксичным композитным стеновым материалом из конопляной костры, смешанной с известковым связующим, привели к бизнес-плану по производству промышленных конопляных блоков; это привело к прототипу проекта в Айдахо — первому коммерческому зданию из конопляного бетона в США. Универсальная замена обычным изоляционным материалам. Техническая конопля — это сытная, высокоурожайная культура, которую можно выращивать в качестве севооборота по всей стране. (Растение вырастает до восьми футов в высоту за три месяца, а его сердцевину и волокна можно собирать и перерабатывать в материал для хранения углерода. ) В 2022 году Hempitecture открыла свое первое предприятие по производству конопляной шерсти в маленьком городке Джером, штат Айдахо (население 12 555 человек). , и сотрудничает с IND Hemp, чтобы получать конопляное волокно от мелких фермеров в сельской местности Монтаны. Как выразился Мид, «наша более масштабная цель — внести свой вклад в экономику замкнутого цикла, внести свой вклад в сельское хозяйство США и сделать это на региональном уровне».

Как основатель MaterialDriven, консалтинговой компании и библиотеки материалов, Пурва Чавла имеет глобальный взгляд на текущий рынок. Среди ее клиентов сети отелей, а также бренды косметики и средств по уходу за кожей, стремящиеся обеспечить устойчивость в своем физическом и фирменном присутствии. Библиотека Chawla включает в себя материалы, изготовленные из всевозможных побочных продуктов сельского хозяйства и природных процессов, включая пеньку, пробку, грибы, раковины устриц и куриные перья, а также материалы, в которых растительные материалы сочетаются с синтетическими пластиками. «Существует огромный интерес к побочным сельскохозяйственным материалам», — заявил Чавла, сославшись на несколько факторов: получение ценности из потока отходов, утилизация которых в противном случае стоит денег; технические характеристики этих материалов; и вина. «Пять или десять лет назад вещи попадали к нам в этой ухоженной форме, и мы просто предполагали, что есть кто-то, кто утилизирует их, как только мы закончим, что есть какой-то механизм, чтобы заставить их исчезнуть. ” Теперь это ощущение меняется, особенно когда речь идет о пластике. Чавла полон надежд: «Мы еще не перешли к точному знанию того, откуда все происходит и куда идет, но мы, конечно, не в неведении» — и у него есть причины для оптимизма. «Европа всегда лидирует в реализации. Но США так интересны, потому что у нас есть все инструменты для этого. Технически мы добираемся туда так быстро».

Мы переживаем странный момент в истории человеческого жилища: мы осознаем себя нежными маленькими поросятами, нуждающимися в приюте, и осознаем наш сговор с большим злым волком климатического кризиса.