Zkušební vzorek poškozené Buddhovy ruky ze známých Skalních reliéfů v čínském Ta-cu (památka UNESCO). Opravu pomocí biocementu provedl Dr. Yang Yang na univerzitě v Chongqingu v Číně. Roztok biocementu je bezbarvý, takže restaurátorské práce umožňují zachovat původní barvu památky. Kredit: Nanyang Technological University, Singapore.

Že i stavební materiály postihl překotný růst cen, vědí i ti, co zrovna nic nestaví a nerekonstruují. I v této oblasti pravděpodobně půjde vývoj, jestli na něj při inflaci a výdajích na zbrojení zůstanou finance, cestou hledání alternativních levnějších zdrojů a výrobních postupů – navíc zohledňujících i ekologickou stránku. Jak ale například  nahradit ve stavebnictví nezbytný cement, k jehož výrobě je nutné vytěžit vápenec a jíl, rozdrtit je, rozemlít a vypálit při vysoké teplotě až 1450 °C. Vznikne takzvaný slinek, jenž se po zchlazení opět mele na výsledný cementový prach (1 a 2).

První autor studie, postdoktorand Yang Yang ze Stavební fakulty čínské University v Chongqingu při precizní práci s biocementem na rekonstrukci poškozené ruky kamenného Buddhy. Kredit: Nanyang Technological University, Singapore

Na straně druhé jsou výroby, při nichž vzniká velké množství odpadních produktů, kterých je nutné se nějak zbavit, nejlépe pro přírodu i lidi bezpečným způsobem, což představuje dodatečné náklady. Hledání způsobů, jak právě takové odpady využít na suroviny pro další energeticky nenáročnou výrobu něčeho potřebného, patří k těm nejracionálnějším ekonomickým a ekologickým cílům. Vytyčit si je ale musí v první řadě vědci s dostatkem vědomostí a technických možností pro výzkum, ne ziskuchtivé neziskovky.

V odborném časopisu Journal of Environmental Chemical Engineering se nedávno objevil volně dostupný článek, v němž čtyřlístek singapurských a čínských výzkumníků popisuje, jak z nevyužitých vedlejších produktů chemických výrob, moče a běžných bakterií připravili roztok, kterým lze nahradit cement. Stačí ho smíchat třeba s pískem. Po nalití na povrch sypkého materiálu zkompaktní v mezerách mezi částicemi, čímž ho zpevní do hloubky, kterou prosákne. Stmelující tekutina je sice zakalená, ale bezbarvá, lze ji v kombinaci s vhodným materiálem použít na opravu kamenných památek a dosáhnout jejich původního odstínu, nebo téměř neviditelně lepit úlomky či spravovat praskliny. Vědci nyní zkoušejí další aplikace, například vytmelení trhlin v tunelech, i těch podvodních, nebo použití s vhodnou, například asfaltovou drtí při opravách výmolů na silnicích. Zkoušky totiž prokázaly, že bio-cement vytvrzuje lépe a pevněji než běžný cement.

Z jakých tajných odpadních ingrediencí se nadějný vytvrzující roztok zatím jen v laboratorní kuchyni „vařil“?

1) Kal, který je odpadním produktem při výrobě acetylenu (C₂H₂) z karbidu vápenatého a vody. Vedlejší chemikálií reakce je roztok hydroxidu vápenatého (Ca(OH)₂). Pro výrobu nového biocementu se tento odpadní kal stal zdrojem nezbytného vápníku.

2) Kyselina dusičná, kterou, jak autoři studie uvádějí, získali jako vedlejší odpadní látku v lokální chemické fabrice. Je to zvláštní poznámka, protože jinde se HNO₃ cíleně vyrábí i relativně draze prodává. Je ale možné, že jako vedlejší produkt nějakého výrobního procesu není dostatečně chemicky čistá nebo vhodně koncentrovaná.

Vedoucí výzkumný pracovník dr. Shifan Wu (vlevo) a profesor Jian Chu (vpravo) z Fakulty stavebního a environmentálního inženýrství Technické university v Nanyangu se vzorky biocementu. Kredit: Nanyang Technological University, Singapore.

Smícháním obou ingrediencí – zásaditého vápenatého kalu a kyseliny dusičné dochází k neutralizaci, výsledkem které je ve vodě rozpuštěný dusičnan vápenatý. Chemizmus takového prostředí již umožňuje metabolickou aktivitu hlavního živého aktéra dalšího procesu:

3) Bakterie. Ne však ledajaké. Singapurští vědci použili vzorky biologicky aktivovaného kalu používaného v čističce odpadních vod s vysokým obsahem půdních anaerobních, heterotrofních bakterií rodu Sporosarcina. Jako bezpočet jiných mikroorganismů, i tyto nám pomáhají na naší planetě přežít tím, že likvidují naše odpadní produkty. Do svého bezprostředního okolí totiž vylučují enzym ureázu, kterým rozkládají močovinu CO(NH₂)₂ – podstatnou složku nejen naší moče. Bakterie ji potřebují jako zdroj dusíku a uhlíku. Z toho je zřejmé, že do seznamu surovin pro výrobu biocementu musíme přidat:

4) Moč. Tu vědci nejdříve sterilizovali UV zářením, aby ji zbavili nežádoucích patogenů a pak přefiltrovali. Část takto upravené tělní tekutiny použili k namnožení bakterií.

Budova známá jako Úl (The Hive), jedna z několika architektonických skvostů singapurské Technické university v Nanyangu (Nanyang Technological University, Singapore). Universita patří k světové špičce, její hlavní kampus se rozkládá na ploše 200 hektarů (2 km²) Kredit: Wikipedia, autor Supanut Arunoprayote.

Co se stane, když smícháme tři takto připravené tekutiny – roztok dusičnanu vápenatého (vznikl reakcí složek 1+2), moč a koncentrovanou bakteriální kulturu? Mikroorganismy se pustí do práce a hydrolyzují močovinu na ionty NH₄⁺ a CO₃^2-. Rozpuštěný hydroxid vápenatý nabízí ionty Ca²⁺ a OH^-. Příznivci chemie již tuší, kam to spěje – k uhličitanu vápenatému, CaCO₃. Ve směsi surovin však vede k tomuto cíli delší kaskáda reakcí souvisejících s bakteriálním metabolizmem a díky ní z tuhnoucího biocementu neuniká žádný čpavek, jak by to z jednoduchých chemických rovnic vyplývalo, protože ho mikroby využijí.

Třísložkový roztok biocementu prý umožňuje stmelit písek pevněji než naše pracně vyráběné cementy. Přesto s velikou pravděpodobností tato metoda – i když se ukáže být perspektivní alespoň pro nějaké aplikace, jistě pytle se šedým prachem zcela nenahradí. Aniž by to snižovalo význam výzkumu, který si snad najde cestu k praktické realizaci, je vhodné dodat, že biomineralizační schopnost bakterií Sporosarcina je již nějakou dobu známa, a v přírodě, kde mají zdroj vápníku a močoviny, dokážou tyto neviditelné, asi jen 2 až 4 μm podlouhlé mikroorganismy odolným vápenatým pojivem stmelit okolní zrna písku doslova do podoby horniny – pískovce.

Video: Vědci z NTU (Nanyang Technological University) v Singapuru vynalezli ekologický způsob, jak využít odpadní materiály, jako je moč a průmyslové kaly, na produkci pevného biobetonu. Nová metoda prý umožňuje zpevnit stavební půdu lépe než běžným betonem a v dohledné době ji v Singapuru vyzkouší na ochranu pláží před erozí. Na rozdíl od vysokoteplotních procesů používaných k výrobě konvenčního betonu, biobetonu stačí běžné teploty, přičemž neprodukuje žádný oxid uhličitý. Kredit: Nanyang Technological University, Singapore