Пропитанный бактериями цемент может стать источником энергии для будущего 

Фото из открытых источников

Бетон долгое время считался одним из самых скучных, но самых необходимых строительных материалов в мире. Прочный и серый, этот материал можно встретить повсюду в городах: на дорогах, в зданиях и даже в статуях. И вот учёные нашли способ создать «живой цемент», способный накапливать энергию. Это исследование опубликовано в журнале Cell Reports Physical Science.

Группа исследователей из Орхусского университета и Чунцинского университета Цзяотун успешно внедрила бактерию Shewanella oneidensis в затвердевший цемент, создав то, что они называют «микробно-цементным гибридом». Этот живой материал не только удерживает здания, но и может служить перезаряжаемой системой хранения энергии. Это достижение открывает путь к будущему, в котором материалы, из которых состоят наши города, также могут использоваться для их энергоснабжения.

«Мы объединили структуру с функцией», — заявил ведущий автор исследовани Ци Ло. «В результате получился новый материал, способный одновременно выдерживать нагрузки и накапливать энергию, а также восстанавливать свои свойства при поступлении питательных веществ».

«Живой цемент» был приготовлен путём добавления в цемент порошка сульфата натрия (вкусного электролита для бактерий), а затем добавления бактерий, разведённых в стерильной деионизированной воде. Цементный раствор разливали по формам и оставляли затвердевать при комнатной температуре в течение 24 часов. 

S. oneidensis  — электроактивный микроорганизм. Это означает, что он является лидером в области переноса электронов и может естественным образом перемещать электроны по поверхностям, подобно биологическому проводнику. Смешивая эти микробы с цементом, бактерии создают взаимосвязанную систему, управляющую электрическими зарядами. Этот живой цемент достигает плотности энергии 178,7 ватт-часов на килограмм (Вт·ч/кг). Для понимания общей картины: светодиодная лампочка обычно потребляет от 4 до 18 Вт. Таким образом, один килограмм этого нового цемента может питать до 44 светодиодных лампочек. Это огромное количество энергии, вырабатываемой микроскопическими бактериями.   

После 10 000 циклов использования энергии цемент всё ещё сохранял 85% своей ёмкости, что свидетельствует о его долгосрочном потенциале. Однако, как и всё живое, бактерии могут погибнуть. Исследователи использовали крошечные каналы в цементе для подачи питательных веществ к бактериям и смогли восстановить их ёмкость, сохранив 80% от первоначальной. Это значительный шаг вперёд по сравнению с традиционными батареями или пассивными накопителями энергии, поскольку процесс является возобновляемым, регенеративным и не требует использования токсичных тяжёлых металлов. Хорошие новости для устойчивого развития и окружающей среды.

«Живой» бетон сохранял свои свойства в широком диапазоне условий. Температурные испытания показали, что сохранение заряда продолжалось как при отрицательных температурах (-15°C), так и при комнатной температуре (от 20°C до 33°C). Эта устойчивость может сделать микробный цемент привлекательным кандидатом для реального применения, от холодного климата до городских центров. 

«Это не просто лабораторный эксперимент», — сказал Ци Ло. «Мы представляем, как эта технология будет интегрирована в реальные здания, в стены, фундаменты или мосты, где она сможет поддерживать возобновляемые источники энергии, такие как солнечные панели, обеспечивая локальное хранение энергии. Представьте себе обычную комнату, построенную из цемента, пропитанного бактериями: даже при скромной плотности энергии 5 Вт⋅ч/кг одни только стены могут хранить около 10 кВт⋅ч — достаточно, чтобы обеспечить работу стандартного корпоративного сервера в течение целого дня».

Хотя эта концепция и выглядит многообещающе, она пока далека от готовности к внедрению на строительных площадках. Природная щёлочность цемента создаёт серьёзные препятствия для выживания микроорганизмов, а активность электроактивных микроорганизмов зависит от условий окружающей среды. Со временем микробы могут терять свою функциональность, что ставит под сомнение их долговечность и надёжность.

Исследователи предлагают возможные решения, такие как создание более устойчивых штаммов микроорганизмов и изменение пористости цемента для лучшего потока питательных веществ. 

Концепция «живого цемента» приближает экологичные строительные материалы к реальности, сочетая биологию и инженерию ради будущего, в котором сами стены вокруг нас смогут питать внутренние технологии.