水泥碳排占全球7%，ETH团队用细菌+数字制造打印非承重建筑构件

水泥很常见，这种无处不在的建筑材料约占全球碳排放的7%。

长期以来，水泥制造都被视为一个环境负担很重的过程。

问题出在哪？

影响主要来自两个关键环节，一是熟料的生产，熟料是水泥的关键成分之一，其生产需要高耗能加热、混合和冷却过程。

二是煅烧过程，石灰石在这个环节发生化学反应变成水泥，同时释放大量CO₂。

多年来，研究人员因此一直在研究水泥的替代生产方法。

其中一条研究路径，是利用细菌触发一种称为生物胶结的过程。

这个过程使用巴氏芽孢八叠球菌将砂粒粘结在一起，把它们转化为由相互嵌合的方解石晶体构成的固体结构。

这种细菌过去曾被用于稳定底土以及制造自修复混凝土。

如今，最近在苏黎世联邦理工学院建筑系完成博士学位的卡伦·安托韦萨·帕埃斯，正在把这种细菌和数字制造技术结合，以更好地控制生物胶结过程。

「我们正在利用细菌生产一种矿物胶」，安托韦萨·帕埃斯说。

她补充说，「此前缺少的是制造工艺。通过这些工艺，这些生物过程可以按需控制，并用于制造建筑构件。」

作为其研究的一部分，安托韦萨·帕埃斯一直在探索两种不同的生产技术。

其中一种是3D生物水泥打印工艺，使用的生物墨水由水凝胶、海藻酸盐、黄原胶、砂和活菌组合而成。

这种糊状生物墨水可以挤出精细的自由形态结构，类似于生坯打印部件。

随后，结构被浸入尿素和氯化钙浴中。

这会触发细菌，让它们开始用一种叫脲酶的酶分解尿素。

这个过程会产生碳酸根离子，碳酸根离子与氯化钙结合，形成碳酸钙，也就是石灰石。

整个生产过程需要两到五天，具体要看建筑结构所需的强度水平。

每天都必须把结构浸入新鲜浴液，确保细菌获得制造石灰石所需的条件。

浸泡完成后，结构可以静置干燥。

到这一步，一个坚固的矿物结构就形成了，全程不需要传统高能耗水泥。

现阶段，这种方法最适合制造非承重建筑构件，例如立面或隔墙。

这位研究人员表示，用这种细菌生产的材料更接近砂浆，而不是混凝土。

当然，它现在还谈不上全能。

还需要进一步研究来微调性能，这可能开辟更多建筑可能性。

「最大的问题不再是生物水泥是否有效，而是其性能能被管理到何种程度」，安托韦萨·帕埃斯说。

这种基于细菌的建筑材料，还有另一种数字制造方法，机器人喷涂。

它属于增材方式，用机械臂把细菌、用于生成石灰石的矿化成分以及砂交替喷涂到表面上。

这个工艺受一种叫叠层石的层状沉积岩构造启发，自由形态设计潜力低于3D打印方法，但可能用于制作表面。

「作为建筑师，你通常对材料制造过程中投入了什么一无所知。它是在别处制造出来的」，安托韦萨·帕埃斯补充说。

「让我着迷的是，大自然已经找到了制造非常复杂材料的方法，而我们可以让这些方法适用于我们今天面临的问题。」