Riassunto:
I ricercatori del Politecnico federale di Zurigo hanno sviluppato una nuova tecnologia di produzione di materiali da costruzione che utilizza batteri viventi per combinare granelli di sabbia sciolti in componenti edilizi resistenti. A differenza della tradizionale produzione di cemento, che consuma molta energia e viene cotta ad alte temperature, questa tecnologia, chiamata biocementazione, può completare la solidificazione del minerale a temperatura ambiente e dovrebbe fornire una soluzione di produzione di materiali più rispettosa dell’ambiente per il settore delle costruzioni.
Il cemento è uno dei materiali di base più importanti nel moderno settore edile, ma la produzione del tradizionale cemento Portland richiede il riscaldamento delle materie prime a temperature elevate, il consumo di molta energia e la produzione di notevoli emissioni di anidride carbonica. Pertanto, la ricerca di materiali alternativi in grado di ridurre il consumo energetico e le emissioni di carbonio è sempre stata una direzione importante nel campo della ricerca sui materiali da costruzione. L’idea centrale di questa ricerca non è quella di riprogettare il tradizionale processo di cottura del cemento, ma di utilizzare le attività metaboliche dei microrganismi stessi per formare minerali naturali tra i granelli di sabbia e combinare le particelle originariamente sciolte in un insieme con una certa forza.
Il batterio utilizzato dal gruppo di ricerca si chiama Sporosarcina pasteurii. Nelle giuste condizioni, questo batterio può favorire la formazione di carbonato di calcio. Il carbonato di calcio si trova ampiamente in materiali naturali come calcare, gesso e conchiglie. Quando precipita e forma minuscoli cristalli tra i granelli di sabbia, agisce come un legante minerale, collegando insieme i granelli di sabbia per formare un materiale solido con una certa resistenza.
Questo processo è chiamato precipitazione del carbonato di calcio indotta microbicamente, o MICP, ed è noto anche come tecnologia di biocementazione. In precedenza, i ricercatori hanno provato a utilizzarlo in settori quali il rinforzo del terreno, la stabilizzazione delle fondazioni e la riparazione delle crepe nel calcestruzzo. La differenza in questa ricerca dell’ETH di Zurigo è che tenta di trasformare direttamente la sabbia in materiali da costruzione indipendenti, piuttosto che utilizzare semplicemente batteri per migliorare le proprietà dei materiali esistenti.
Il gruppo di ricerca, guidato da Karen Antorveza Paez, ha proposto due metodi di produzione. Il primo metodo combina la tecnologia della biocementazione con la stampa 3D. I ricercatori hanno sviluppato uno speciale bioinchiostro che contiene acqua, sabbia, batteri viventi e relativi ingredienti chimici. La miscela ha una consistenza gelatinosa e può essere modellata in forme predeterminate utilizzando apparecchiature di stampa 3D per creare componenti edilizi strutturalmente complessi.
Dopo la stampa, i componenti devono essere immersi in una soluzione contenente urea e cloruro di calcio per circa tre giorni. Durante questo processo, i batteri favoriscono la formazione di cristalli minerali, che uniscono gradualmente i granelli di sabbia. Successivamente i mattoni vengono essiccati a temperatura ambiente per circa due giorni, i batteri non rimangono più attivi e alla fine si forma una struttura solida. L'intero processo, dalla stampa alla polimerizzazione completa, richiede circa cinque giorni e non richiede l'uso delle tradizionali apparecchiature di cottura ad alta temperatura.
I ricercatori hanno paragonato il processo alla cottura di una torta: il materiale formato inizialmente rimane morbido e facilmente deformabile, richiedendo una successiva lavorazione per ottenere una struttura resistente. La differenza è che la cottura tradizionale si basa sul calore per completare la polimerizzazione, mentre questa tecnologia si basa sui batteri per promuovere la produzione di minerali e completare una trasformazione simile a temperatura ambiente.
Il secondo metodo utilizza la tecnologia di spruzzatura robotica. Il braccio robotico spruzza in sequenza sabbia, batteri e materiali necessari per la mineralizzazione sulla superficie target, formando una struttura multistrato attraverso ripetute sovrapposizioni. Man mano che il carbonato di calcio si accumula, gli strati di sabbia si combinano per formare una superficie solida o un componente da costruzione. Il gruppo di ricerca ha fatto funzionare il sistema ininterrottamente per sei mesi, dimostrando il suo potenziale per automatizzare il lavoro e ridurre la dipendenza dall’intervento umano continuo.
Entrambi i metodi hanno i propri scenari applicabili. La stampa 3D è più adatta per la produzione di parti di edifici con forme complesse e geometrie specifiche, mentre la spruzzatura robotica è più adatta per materiali da costruzione strato per strato sulla superficie. Il team di ricerca ha utilizzato questa tecnologia per creare componenti per facciate di edifici, che si prevede verranno utilizzati in futuro in componenti edilizi come strutture ombreggianti e pareti divisorie.
Tuttavia, questa tecnologia è ancora lontana dall'applicazione commerciale su larga scala. Una questione importante riguarda i sottoprodotti del processo di produzione. Le soluzioni mineralizzate utilizzate nei metodi di stampa 3D producono sostanze a base di ammonio che possono essere dannose per l’ambiente se non gestite correttamente. I ricercatori devono trovare metodi efficaci di riciclaggio o neutralizzazione per aumentare ulteriormente la produzione, altrimenti i benefici ambientali di questo materiale potrebbero essere limitati.
Anche la resistenza dei materiali è un problema chiave da risolvere. Allo stato attuale, il gruppo di ricerca ritiene che questo tipo di biocemento sia più vicino alla malta che a un materiale strutturale in grado di sostituire direttamente il calcestruzzo portante. La malta viene utilizzata principalmente per incollare mattoni e riempire giunti, mentre il calcestruzzo è ampiamente utilizzato nelle strutture portanti come pavimenti, colonne e fondazioni. Per utilizzare il biocemento in una gamma più ampia di progetti di costruzione, è necessaria un’ulteriore verifica delle sue proprietà meccaniche, durabilità a lungo termine e stabilità in diverse condizioni ambientali.
Inoltre, la dimensione dei granelli di sabbia e il modo in cui sono disposti influiscono sulle proprietà del materiale finale. I ricercatori stanno ancora esplorando come ottenere resistenza e proprietà strutturali più stabili modificando le materie prime e i parametri di produzione. Ciò significa che la ricerca futura non dovrà solo migliorare il processo di mineralizzazione indotta dai batteri, ma anche stabilire standard di progettazione dei materiali e di controllo qualità adatti a diversi usi edilizi.
Nonostante queste limitazioni, questa ricerca dimostra una nuova direzione nella produzione di materiali da costruzione: convertire materiali granulari naturali in componenti da costruzione con forme e proprietà specifiche utilizzando microrganismi per guidare la crescita dei minerali tra le particelle. Se in futuro si potranno risolvere problemi quali il trattamento dei sottoprodotti, la resistenza dei materiali e la produzione su larga scala, si prevede che la tecnologia della biocementazione verrà applicata alla produzione di alcune malte tradizionali e componenti edilizi, riducendo la dipendenza da processi produttivi ad alto consumo energetico.
Rispetto alla sostituzione diretta del calcestruzzo tradizionale, un obiettivo a breve termine più realistico di questa tecnologia è quello di entrare innanzitutto in campi di applicazione come i componenti non portanti principali e i materiali di superficie degli edifici. I risultati del gruppo di ricerca mostrano che i batteri non solo possono partecipare al rinforzo del suolo e alla riparazione degli edifici, ma possono anche diventare uno strumento per la produzione di nuovi materiali da costruzione, fornendo un altro percorso tecnico per ridurre il consumo energetico e le emissioni di carbonio nel settore edile.
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