المباني الحية: بكتيريا الخرسانة لمدن أنظف

قدّم فريق من المهندسين من الجامعة المرموقة، المعهد الفيدرالي السويسري للتكنولوجيا في زيورخ، طريقة بناء مبتكرة تستخدم بكتيريا التمثيل الضوئي لتقليل انبعاثات الكربون وتقوية دعامات الهياكل الخرسانية. قد يكون لهذه العمارة الحية تأثيرٌ بالغ على تصاميم المباني المستقبلية. إليك ما تحتاج إلى معرفته.

ثاني أكسيد الكربون

يُعد ثاني أكسيد الكربون أحد غازات الدفيئة الرئيسية التي تُسهم في تغير المناخ. يُمكن أن يُسبب هذا التركيب الكيميائي ضررًا لا يُمكن إصلاحه لطبقة الأوزون والأنظمة البيئية المحلية وصحتك مع مرور الوقت. وعندما لا تُسيطر السلطات على مستويات ثاني أكسيد الكربون، فقد يُؤدي ذلك إلى تغييرات كارثية، مثل تغيير درجة الحموضة (PH) في المحيطات.

إزالة ثاني أكسيد الكربون هي تجارة كبيرة

دفعت كل هذه المخاوف العالم إلى بذل جهود متضافرة لتقليل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي وإزالتها كلما أمكن. وحتى الآن، ابتكر المهندسون طرقًا متنوعة لتحقيق هذه المهمة. بدءًا من المرشحات الخاصة وصولًا إلى المواد التي تُحوّل المادة الكيميائية إلى معادن أخرى أقل ضررًا، لم يخلُ الأمر من ابتكارات مبتكرة.

تسعى مفاهيم مثل أنظمة التقاط الهواء المباشر وإعادة التحريج إلى إزالة الكربون من الهواء مباشرةً. وقد أثبتت هذه الأساليب فعاليتها. ومع ذلك، فهي مكلفة ويصعب تطويرها لتلبية الطلب العالمي على هذه الخدمات. إدراكًا لهذه القيود، سعى فريق من العلماء إلى إيجاد طريقة لدمج التقاط ثاني أكسيد الكربون في الحياة اليومية دون عرقلة ذلك.

دراسة العمارة الحية

استخدم عزل الكربون المزدوج باستخدام المواد الحية الضوئية دراسة¹تُسلِّط دراسةٌ نُشرت مؤخرًا في مجلة "نيتشر كوميونيكيشنز" الضوء على استخدام البكتيريا الممزوجة بالخرسانة المُستخدمة في البناء لالتقاط ثاني أكسيد الكربون. ولإنجاز هذه المهمة، يستخدم المهندسون أحد أقدم أشكال الحياة في العالم، وهي البكتيريا الزرقاء الضوئية.

هذه البكتيريا قادرة على إجراء عملية التمثيل الضوئي، التي تزيل ثاني أكسيد الكربون من الهواء، دون المساس بثبات الخرسانة أو متانتها. ولذلك، يتصور الفريق مستقبلاً تستطيع فيه أحياء المدن تنظيف الهواء ذاتيًا عبر مبانيها. تستطيع هذه المباني عزل ثاني أكسيد الكربون وتخزينه مباشرةً، مما يقلل التكاليف ويحسّن جودة الهواء بشكل ملحوظ.

المصدر - فالنتينا موري بينالي فينيسيا

يُنتج خليط الخرسانة البكتيري مادةً حيةً تنمو وتزداد قوةً بامتصاصها لثاني أكسيد الكربون أثناء عملية التمثيل الضوئي. ومن المثير للإعجاب أنها تمتص ثاني أكسيد الكربون بفعالية وتحوله إلى كتلة حيوية ومعادن تحتوي على الكربونات دون الحاجة إلى كهرباء أو تركيبات منفصلة.

تغيير البيئة الكيميائية

لاحظ المهندسون أنه مع بدء البكتيريا بسحب وتخزين ثاني أكسيد الكربون في المنطقة، سيؤثر ذلك إيجابًا على البيئة المحلية. سيعزز انخفاض البصمة الكربونية نمو الكربونات الصلبة، التي تتميز بقدرتها الفائقة على امتصاص ثاني أكسيد الكربون، مما يُنشئ دورة طبيعية لخفض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون.

هيدروجيل

في إطار نهجهم، ابتكر الباحثون هلامًا قابلًا للطباعة لتوصيل البكتيريا. يوفر هذا الهلام المائي الرطوبة اللازمة لنمو البكتيريا. كما أنه يدمج بوليمرات متشابكة مُحسّنة للمتانة والتمثيل الضوئي. وعلى وجه التحديد، استخدم المهندسون أشكالًا هندسية خاصة لزيادة نفاذ الضوء وتعزيز تدفق المغذيات إلى البكتيريا.

قابلة للطباعة ثلاثية الأبعاد

من المثير للاهتمام أن الهيدروجيل قابل للطباعة ثلاثية الأبعاد، مما يزيد من سهولة تركيبه. يطبع المهندسون الهيدروجيل ببكتيريا مُشبعة كخطوة أولى. في هذه المرحلة، يكون الهيدروجيل لينًا ويتناسب مع الأماكن الضيقة. بعد أول 3 يومًا من عملية التمثيل الضوئي، تستطيع البكتيريا المطبوعة دعم نفسها. مع مرور الوقت، سيصبح أكثر صلابة ومتانة، مستفيدًا من ثاني أكسيد الكربون الجوي لدعم هذا التغيير الذي يحدث من الداخل إلى الخارج.

اختبار مفهوم العمارة الحية

أجرى العلماء عدة اختبارات معملية للتأكد من دقة مفاهيمهم. طبعوا شكلًا صغيرًا بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد، وراقبوا نشاطه ونموه على مدار 3 يوم. حرص الفريق على تسجيل جوانب حيوية، مثل تدفق المغذيات إلى البكتيريا، ومدى صمود الهيدروجيل.

نتائج اختبار العمارة الحية

أظهرت نتائج الاختبار أن المادة الحية قادرة على عزل ثاني أكسيد الكربون لأكثر من عام دون أي استهلاك للطاقة. وأشار الفريق إلى أن جهازهم نجح في استخراج ثاني أكسيد الكربون لمدة 2 يوم، محققًا معدلًا مذهلاً بلغ 400 مليغرامًا من ثاني أكسيد الكربون لكل غرام من المادة.

كشف الاختبار عن التقاط ثاني أكسيد الكربون وتحويله إلى معادن. تُرسَب هذه المعادن بعد ذلك داخل المادة، مما يُقوّي نواة المادة ويعززها ميكانيكيًا. والجدير بالذكر أن الفريق سجل أن الهيدروجيل سمح للخلايا بالانتشار داخل المادة والتقاط ثاني أكسيد الكربون دون أي عوائق.

فوائد دراسة الهندسة المعمارية الحية

هناك فوائد جمة يمكن أن يجلبها البناء باستخدام مواد حية للعالم. أولًا، قد يكون لهذه التقنية تأثيرٌ بالغ على جودة الهواء في المناطق الحضرية. عند مراجعة جودة الهواء عالميًا، يتضح جليًا أن المناطق ذات الكثافة السكانية العالية تعاني من أسوأ مستويات جودة الهواء.

تنبع هذه المشكلة من عدة عوامل، منها زيادة عدد السكان ما يعني زيادة التلوث، وزيادة المباني تعني عددًا أقل بكثير من الأشجار التي تزيل ثاني أكسيد الكربون من البيئة بشكل طبيعي. تساعد هذه الاستراتيجية في حل هذه المشكلة دون الحاجة إلى عودة الناس إلى الأكواخ الخشبية.

الزراعة

تُعدّ الاستدامة من أهمّ فوائد هذه التقنية في السوق. فتدعيم الخرسانة المُستخدمة في البناء فكرةٌ ذكيةٌ تُخفّض تكاليف البنية التحتية وتُحسّن متانتها. إضافةً إلى ذلك، لا يتطلّب هذا الخيار الصديق للبيئة أيّ كهرباء من الشبكة الكهربائية لتشغيله. فالبكتيريا تحتاج فقط إلى أقلّ قدرٍ من ضوء الشمس والماء وثاني أكسيد الكربون لبدء عملية التمثيل الضوئي.

تعدد الاستخدام

من أهم فوائد هذا النهج تعدد استخداماته. إذ يمكن تشكيل المواد المطبوعة ثلاثية الأبعاد أو تركيبها في أي تصميم تقريبًا، مما يسهل دمجها في المباني المستقبلية. وعند دمجها مع تقنيات مثل أنظمة الإسكان المطبوعة ثلاثية الأبعاد، يسهل تصور عالم تُطبع فيه المنازل في أيام معدودة، وتؤدي دورًا حيويًا في الحفاظ على سلامة النظام البيئي.

الكفاءة

لا يُضاهي أي نظام آخر لالتقاط الكربون من الهواء مباشرةً كفاءة استخدام البكتيريا لإزالة الملوثات. تُوزّع هذه الحلول الطبيعية سوائل المغذيات بشكلٍ سلبي في جميع أنحاء الجسم بواسطة قوى الشعيرات الدموية، مما يُغني عن المضخات والمحركات والبطاريات وجميع العوامل الأخرى التي تجعل أساليب الالتقاط المباشر باهظة الثمن.

تطبيقات العالم الحقيقي

هناك قائمة طويلة من التطبيقات العملية لهذه التقنية. يمكنك توقع استخدامها لأول مرة في مشاريع البناء. من السهل تصور مدينة تُنقّي مبانيها هواءها باستمرار من الملوثات. ستساهم هذه المدينة الخضراء في الحد من تغير المناخ وتعزيز الاستدامة على مستوى جديد.

الجدول الزمني للهندسة المعمارية الحية

يتمنى المهندسون استخدام الخرسانة الحية خلال السنوات العشر القادمة. إلا أن تحقيق هذا الهدف قد يكون أقرب بكثير، إذ وضعت الأمم المتحدة أهدافًا لخفض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون للمساعدة في الحد من تغير المناخ. وسيجري الفريق الآن تجارب على الخرسانة لضمان ملاءمتها لتطبيقات البناء واسعة النطاق وغيرها.

باحثون في دراسة العمارة الحية

قاد مهندسو المعهد الفيدرالي السويسري للتكنولوجيا في زيورخ دراسة العمارة الصالحة للعيش. وورد في الورقة البحثية أن داليا درانسايكي، وييفان كوي، ومارك دبليو. تيبيت هم المؤلفون الرئيسيون. وقد حظوا بدعم فريق من العلماء، منهم أندريا س. لينغ، وفيليكس دونات، وستيفان برنهارد، ومارغريتا برنرو، وأخيل أريكال، وماركو لازيتش، وشياو-هوا تشين، وجون س. أوكي، وبنجامين ديلينبرغر، وأندريه ر. ستودارت.

مستقبل العمارة الحية

سيعتمد مستقبل العمارة الحية على عدة عوامل رئيسية. وقد عرض الفريق بالفعل خرسانتهم الحية في بينالي العمارة في البندقية. هنا، كشف الفريق عن هيكلين مطبوعين بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد على شكل شجرة، قادرَين على إزالة 3 كجم من ثاني أكسيد الكربون سنويًا من الغلاف الجوي. والمثير للإعجاب أن معدل امتصاص ثاني أكسيد الكربون هذا يعادل معدل امتصاص شجرة صنوبر عمرها 18 عامًا.

الاستثمار في سوق احتجاز الكربون

شهد سوق التقاط ثاني أكسيد الكربون ازدهارًا ملحوظًا بفضل التشريعات العالمية التي تستهدف الملوثين. أصبح بإمكان الشركات الآن الحصول على إعفاءات ضريبية لخفض إنتاجها من ثاني أكسيد الكربون، أو دفع غرامات لعدم استيفائها المعايير الجديدة. وخلال هذه التغييرات، نجحت بعض الشركات في ترسيخ مكانتها كشركة رائدة في مجال توفير أنظمة التقاط ثاني أكسيد الكربون. إليكم شركة تواصل تعزيز سمعتها في تقديم خدمات عالية الجودة.

بلوم إنرجي

أطلق الدكتور كي آر سريدهار شركة بلوم للطاقة (BE ) في عام ٢٠٠٢. آنذاك، كانت الشركة تُسمى "أيون أمريكا". كانت إحدى أولى مهام "أيون أمريكا" التعاون مع وكالة ناسا لإنشاء خلية كهروكيميائية تُمكّن مركبة المريخ من توليد الطاقة بعد هبوطها على الكوكب الأحمر.

غيّرت الشركة اسمها إلى "بلوم إنرجي" بعد فترة وجيزة من انتهاء عملها مع ناسا. في ذلك الوقت، قررت الشركة توسيع نطاق عملها لإنشاء أنظمة عالية الأداء لالتقاط الكربون، وخلايا الوقود، وأنظمة التقاط الحرارة.

يعيد نظام خلايا الوقود ذات الأكسيد الصلب من شركة بلوم إنرجي استخدام الماء والهيدروجين الناتجين عن عوادم خلايا الوقود. ومن هناك، يفصل النظام ثاني أكسيد الكربون ويخزنه في معادن مدفونة تحت الأرض. كما بحثوا في استخدام هذا المعدن في التطبيقات الصناعية وغيرها. على الراغبين في التعرّف على سوق احتجاز ثاني أكسيد الكربون البحث أكثر في عروض بلوم إنرجي القادمة.

أحدث أخبار وتطورات سهم بلوم إنرجي (BE)

التقاط الكربون باستخدام الهندسة المعمارية الحية

فكرة استخدام المباني لالتقاط ثاني أكسيد الكربون منطقية. فالمدن والمصانع، وهي من أكبر مصادر التلوث، تشترك جميعها في استخدام كميات كبيرة من الخرسانة، مما يجعلها المرشح الأمثل للعمارة الحية في المستقبل. أما الآن، فالهدف هو توعية الجمهور وتأمين شراكات استراتيجية لطرح هذا المفهوم الرائد في السوق.

تعرف على مشاريع الاستدامة الرائعة الأخرى اضغط هنا.

الدراسات المشار إليها:

^{1. درانسيكي، د.، كوي، واي.، لينغ، أس وآخرون. عزل الكربون المزدوج باستخدام المواد الحية الضوئية. نات كومون 16، 3832 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-58761-y}