المباني الحية: خرسانة بكتيرية للمدن النظيفة

قامت مجموعة من المهندسين من الجامعة المرموقة ETH Zurich بتقديم طريقة بناء مبتكرة تستخدم البكتيريا الضوئية لتقليل انبعاثات الكربون وتعزيز الدعم الهيكلي للخرسانة. قد يكون للعمارة الحية تأثير كبير على تصاميم المباني المستقبلية. إليك ما تحتاج إلى معرفته.

ثاني أكسيد الكربون

ثاني أكسيد الكربون هو أحد الغازات الدفيئة الرئيسية التي تسهم في تغير المناخ. يمكن لهذا المركب الكيميائي أن يسبب أضرارًا لا يمكن إصلاحها لطبقة الأوزون، والأنظمة البيئية المحلية، وصحتك مع مرور الوقت. عندما تُترك مستويات CO2 دون رادع، يمكن أن تؤدي إلى تغييرات كارثية، مثل تعديل درجة حموضة المحيطات.

إزالة CO2 هي عمل تجاري كبير

كل هذه المخاوف دفعت العالم إلى بذل جهد متواصل لتقليل وإزالة CO2 من الغلاف الجوي كلما أمكن. حتى الآن، ابتكر المهندسون مجموعة متنوعة من الطرق لتحقيق هذه المهمة. من الفلاتر الخاصة إلى المواد التي تحول هذا المركب إلى معادن أقل ضررًا، لم يكن هناك نقص في الإبداع.

تسعى مفاهيم مثل أنظمة التقاط الهواء المباشر وإعادة التشجير إلى إزالة الكربون من الهواء مباشرة. لقد ثبت فعالية هذه الأساليب. ومع ذلك، فهي مكلفة ولا يمكن توسيع نطاقها بسهولة لتلبية الطلب العالمي على هذه الخدمات. وإدراكًا لهذه القيود، سعى فريق من العلماء إلى إيجاد طريقة لدمج التقاط CO2 في الحياة اليومية دون إعاقة ذلك.

دراسة العمارة الحية

تسلط دراسة الحجز المزدوج للكربون باستخدام المواد الحية الضوئية¹، التي نُشرت مؤخرًا في مجلة Nature Communications، الضوء على استخدام البكتيريا الممزوجة بالخرسانة من فئة البناء لالتقاط CO2. لتحقيق هذه المهمة، يستخدم المهندسون أحد أقدم الكائنات الحية في العالم، السايانوبكتيريا الضوئية.

هذه البكتيريا قادرة على إجراء عملية التمثيل الضوئي، التي تزيل CO2 من الهواء، دون الإضرار باستقرار أو قوة الخرسانة. إلى هذا الحد، يتصور الفريق مستقبلًا حيث يمكن للكتل الحضرية تنظيف الهواء تلقائيًا عبر مبانيها. يمكن لهذه المباني حجز وتخزين CO2 مباشرة، مما يقلل التكاليف ويحسن جودة الهواء بشكل كبير.

يخلق مزيج الخرسانة البكتيرية مادة حية تنمو وتصبح أقوى كلما امتصت المزيد من CO2 أثناء عملية التمثيل الضوئي. بشكل مثير للإعجاب، يمتص CO2 بنشاط ويحوّله إلى كتلة حيوية ومعادن تحتوي على كربونات دون الحاجة إلى أي كهرباء أو تركيبات منفصلة.

تغيير البيئة الكيميائية

لاحظ المهندسون أنه مع بدء البكتيريا في سحب وتخزين CO2 في المنطقة، سيؤدي ذلك إلى تحسين البيئة المحلية. سيعزز البصمة الكربونية المخفضة نمو الكربونات الصلبة، التي تتميز بقدرتها على امتصاص CO2، مما يخلق دورة طبيعية لتقليل CO2.

الهيدروجيل

كجزء من نهجهم، أنشأ الباحثون جلًا قابلًا للطباعة لتوصيل البكتيريا. يوفر الهيدروجيل الرطوبة اللازمة لتعزيز نمو البكتيريا. كما يدمج بوليمرات متشابكة محسّنة للمتانة والتمثيل الضوئي. على وجه التحديد، استخدم المهندسون أشكالًا هندسية خاصة لتعظيم اختراق الضوء وتعزيز تدفق المغذيات إلى البكتيريا.

قابل للطباعة ثلاثية الأبعاد

من المثير للاهتمام أن الهيدروجيل قابل للطباعة ثلاثية الأبعاد، مما يسهل دمجه. يطبع المهندسون الهيدروجيل مع بكتيريا مدمجة كخطوة أولى. في هذه المرحلة، يكون الهيدروجيل ناعمًا ويمكنه التواؤم مع الأماكن الضيقة. بعد أول 30 يومًا من التمثيل الضوئي، يمكن للبكتيريا المطبوعة أن تدعم نفسها. مع مرور الوقت، سيصبح أكثر صلابة ومتانة، مستفيدًا من CO2 الجوي لتشغيل هذا التغيير الذي يحدث من الداخل إلى الخارج.

اختبار مفهوم العمارة الحية

أجرى العلماء عدة اختبارات مخبرية لضمان دقة مفاهيمهم. قاموا بطباعة شكل صغير ثلاثي الأبعاد ومراقبة نشاطه ونموه على مدار 400 يوم. كان الفريق حريصًا على تسجيل جوانب حيوية مثل تدفق المغذيات إلى البكتيريا وكيفية صمود الهيدروجيل.

نتائج اختبار العمارة الحية

أظهرت نتائج الاختبار أن المادة الحية يمكنها حجز CO₂ لأكثر من عام دون أي احتياجات طاقة. لاحظ الفريق أن جهازهم استخرج CO2 بنجاح لمدة 400 يوم، مما أدى إلى معدل مثير للإعجاب يبلغ 26 ملغ من CO2 لكل غرام من المادة.
كشف الاختبار أن CO2 يتم التقاطه وتحويله إلى معادن. تُودع هذه المعادن داخل المادة، مما يعزز نواتها ويقويها ميكانيكيًا. ومن الجدير بالذكر أن الفريق سجل أن الهيدروجيل سمح للخلايا بالانتشار داخل المادة والتقاط CO2 دون أي حوادث.

فوائد دراسة العمارة الحية

الجانب	الخرسانة التقليدية	الخرسانة البكتيرية الحية
التقاط CO₂	لا شيء	نعم (عن طريق التمثيل الضوئي)
القوة الهيكلية	ثابتة	يتحسن مع مرور الوقت
احتياجات الطاقة	لا شيء	ضوء الشمس والماء السلبية
المتانة	عالية	يتقوى مع تحويل CO₂ إلى معادن
التكلفة	مستقرة	تقنية ناشئة، لم يُحدَّد بعد

هناك العديد من الفوائد التي يمكن أن يجلبها بناء المواد الحية للعالم. أولاً، قد يكون لهذه التقنية تأثير كبير على جودة الهواء في المدن. عند مراجعة جودة الهواء عالميًا، من السهل ملاحظة أن الكثافات السكانية الكبيرة تعاني من أسوأ جودة هواء.
ينبع هذا المشكلة من عدة عوامل، بما في ذلك زيادة عدد الأشخاص يعني زيادة التلوث، وزيادة عدد المباني يعني قلة الأشجار التي تزيل CO2 طبيعيًا من البيئة. تساعد هذه الاستراتيجية في حل هذه المشكلة دون الحاجة إلى عودة الناس إلى الأكواخ الخشبية.

مستدام

الاستدامة هي أحد أكبر الفوائد التي تقدمها هذه التقنية للسوق. تعزيز الخرسانة المستخدمة في البناء فكرة ذكية ستقلل من تكاليف البنية التحتية وتحسن متانتها. بالإضافة إلى ذلك، لا يتطلب هذا الخيار الصديق للبيئة أي كهرباء من الشبكة لتشغيله. تحتاج البكتيريا فقط إلى أقل كمية من ضوء الشمس، الماء، وCO2 لبدء عملية التمثيل الضوئي.

المرونة

فائدة رئيسية أخرى لهذا النهج هي المرونة. يمكن تشكيل المواد المطبوعة ثلاثيًا الأبعاد أو ملاءمتها مع أي تصميم تقريبًا، مما يسهل دمجها في المباني المستقبلية. عند دمجها مع تقنيات مثل أنظمة الإسكان المطبوعة ثلاثيًا الأبعاد، يصبح من السهل تصور عالم تُطبع فيه المنازل خلال أيام وتلعب دورًا حيويًا في الحفاظ على سلامة النظام البيئي.

الكفاءة

لا يمكن لأي نظام آخر لالتقاط الكربون من الهواء مباشرة أن يضاهي كفاءة استخدام البكتيريا لإزالة الملوثات. توزع هذه الحلول الطبيعية السائلة المغذية بشكل سلبي عبر الجسم بواسطة قوى الشعرية، مما يلغي الحاجة إلى المضخات والمحركات والبطاريات وجميع الأشياء الأخرى التي تجعل طرق الالتقاط المباشر مكلفة.

تطبيقات واقعية

هناك قائمة طويلة من التطبيقات الواقعية لهذه التقنية. يمكنك توقع رؤيتها تُستخدم في البداية في مشاريع البناء. من السهل تصور مدينة حيث تقوم المباني بتنظيف الهواء من الملوثات باستمرار. سيساعد هذا المتروبوليس الأخضر في الوقاية من تغير المناخ وتعزيز الاستدامة على مستوى جديد.

جدول زمني للعمارة الحية

يرغب المهندسون في رؤية الخرسانة الحية تُستخدم خلال السنوات العشر القادمة. ومع ذلك، قد يتحقق أملهم أسرع لأن الأمم المتحدة وضعت أهدافًا لتقليل CO2 للمساعدة في الحد من تغير المناخ. الآن، سيجري الفريق تجارب على الخرسانة لضمان ملاءمتها لتطبيقات البناء على نطاق واسع وغيرها.

باحثو دراسة العمارة الحية

قاد مهندسو ETH دراسة العمارة القابلة للعيش. تُدرج الورقة داليا درانسايك، ييفان كوي، ومارك و. تيبيت كالمؤلفين الرئيسيين. حصلوا على دعم من فريق من العلماء، بما في ذلك أندريا س. لينغ، فليكس دونات، ستيفان برنهارد، مارغريتا بيرنيرو، أكهيل أريكال، ماركو لازيك، شياو-هوا تشين، جون س. أوكي، بنيامين ديلنبرجر، وأندريه ر. ستودارت.

مستقبل العمارة الحية

سيعتمد مستقبل العمارة الحية على عدة عوامل رئيسية. بالفعل، عرضت المجموعة خرسانة حية في بينالي العمارة في فينيسيا. هناك، كشف الفريق عن هيكلين مطبوعين ثلاثيًا الأبعاد على شكل شجرة قادرين على إزالة 18 كغ من CO2 سنويًا من الغلاف الجوي. بشكل مثير للإعجاب، يساوي معدل حجز CO2 هذا ما يفعله شجرة صنوبر عمرها 20 سنة.

الاستثمار في سوق التقاط الكربون

شهد سوق التقاط CO2 دفعة كبيرة بسبب التشريعات العالمية التي تستهدف الملوثين. يمكن للشركات الآن الحصول على ائتمانات ضريبية لتقليل إنتاجها من CO2 أو دفع غرامات لعدم الالتزام بالمعايير الجديدة. خلال هذه التغييرات، نجحت بعض الشركات في تأمين مكانتها كمزودي أنظمة التقاط CO2 الرائدين. إليكم شركة تستمر في بناء سمعتها لتقديم خدمة ذات جودة.

Bloom Energy

أطلق الدكتور ك.ر. سريدهار شركة Bloom Energy (BE ) في عام 2002. في ذلك الوقت، كانت الشركة تُدعى Ion America. كان أحد أولى مهام Ion America هو التعاون مع NASA لإنشاء خلية كيميائية كهربائية تمكن مركبة المريخ من توليد الطاقة بعد هبوطها على الكوكب الأحمر.

غيرت الشركة اسمها إلى Bloom Energy بعد انتهاء عملها مع NASA بفترة قصيرة.
يعيد نظام خلايا الوقود من أكسيد الصلب لشركة Bloom Energy استخدام الماء والهيدروجين من عادم خلية الوقود. من هناك، يفصل النظام CO2 ويحصّره في معادن تُدفن تحت الأرض. كما بحثوا في استغلال هذه المعادن للتطبيقات الصناعية وغيرها. يجب على الراغبين في التعرض لسوق التقاط CO2 إجراء المزيد من البحث حول العروض المستقبلية لشركة Bloom Energy.

أحدث أخبار وتطورات سهم Bloom Energy (BE)

التقاط الكربون باستخدام العمارة الحية

فكرة استخدام المباني لالتقاط ثاني أكسيد الكربون منطقية. المدن والمصانع، التي تُعد من أكبر الملوثين، تشترك في شيء واحد – استخدامها لكميات كبيرة من الخرسانة، مما يجعلها مرشحين مثاليين للعمارة الحية في المستقبل. في الوقت الحالي، الهدف هو نشر الفكرة للجمهور وتأمين شراكات استراتيجية لجلب هذا المفهوم الثوري إلى السوق.
تعرف على مشاريع استدامة أخرى رائعة هنا.

الدراسات المشار إليها:

^{1. Dranseike, D., Cui, Y., Ling, A.S. et al. الحجز المزدوج للكربون باستخدام المواد الحية الضوئية. Nat Commun 16, 3832 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-58761-y}