Биоцемент без обжига: как создают строительные элементы из песка и бактерий

Архитектор и исследователь ETH Zurich Карен Анторвеза Паэс разрабатывает способы изготовления строительных элементов из песка с помощью живых бактерий. В ее работе биологическая минерализация сочетается с 3D-печатью и роботизированным нанесением материала. В отличие от производства обычного цемента, этот процесс не требует высокотемпературного обжига.

Именно обжиг — одна из причин высокого углеродного следа цементной промышленности. На производство цемента приходится около 8% мировых выбросов углекислого газа. Биоцементация позволяет обойтись без печи на этапе связывания песка, но пока не может полноценно заменить традиционные строительные материалы.

Как бактерии скрепляют песок

Исследователи используют почвенную бактерию Sporosarcina pasteurii. Она участвует в процессе микробно-индуцированного осаждения карбоната кальция: образующиеся кристаллы служат минеральным связующим между песчинками.

Бактериальный фермент расщепляет мочевину, в результате чего в смеси образуются карбонатные ионы. В присутствии хлорида кальция осаждается карбонат кальция. Его микроскопические кристаллы скрепляют зерна песка, и материал твердеет при комнатной температуре.

Сам принцип не нов: такой подход уже рассматривали, в частности, для строительства на Марсе. Команда Анторвезы Паэс исследует, как совместить его с цифровым производством архитектурных элементов.

Два способа изготовления: 3D-печать и послойное нанесение

Для 3D-биопечати команда разработала биочернила из воды, натуральных смол, песка и живых бактерий. После печати заготовка проходит минерализацию в течение двух–пяти дней. Раствор обновляют ежедневно, чтобы поддерживать процесс и обеспечивать бактерии необходимыми веществами. После минерализации и высыхания получается твердый элемент, в котором бактерии уже неактивны.

Во втором методе роботизированная рука поочередно наносит песок, бактерии и минерализующие вещества. Источником идеи стали строматолиты — природные слоистые структуры, формирующиеся при участии микроорганизмов.

Оба метода позволяют формировать и отверждать материал без внешнего нагрева. При этом его свойства зависят не только от состава смеси, но и от процесса минерализации.

Что мешает заменить бетон

По прочности полученный биоцемент пока ближе к строительному раствору, чем к конструкционному бетону. Поэтому его рассматривают прежде всего для ненесущих элементов — например, перегородок и фасадных панелей.

Еще одно ограничение — образование аммония при расщеплении мочевины. Этот побочный продукт необходимо безопасно перерабатывать или утилизировать. Как подчеркивает Анторвеза Паэс, без решения этой проблемы строительство с применением биоцемента нельзя считать экологически устойчивым.

От лабораторных образцов к демонстрационной конструкции

Возможности технологии показали на Венецианской архитектурной биеннале 2025 года. В течение шести месяцев посетители могли наблюдать, как биоцементная конструкция формируется непосредственно на площадке.

Следующие задачи — повысить прочность материала и наладить безопасное обращение с побочными продуктами. Именно от этого зависит, сможет ли биоцемент выйти за пределы экспериментальных установок и найти применение в строительстве.

Фото: Kai-Hsun Yeh / ETH Zurich