Coraz intensywniej są prowadzone prace nad tzw. inteligentnymi materiałami. Jednym z nich jest biobeton, który może zrewolucjonizować nie tylko sposoby tworzenia infrastruktury wojskowej, ale też jej konserwacji. Kluczowe są tu… bakterie, które potrafią na przykład w ciągu 96 godzin przygotować lądowisko wytrzymujące start nawet ciężkich maszyn transportowych.

Może to wyglądać tak: w pewnym miejscu przez jakiś czas mają stacjonować żołnierze w ramach misji. Nie będzie to stała baza, ale i tak trzeba przygotować całą infrastrukturę. Potrzebne będzie choćby lotnisko, żeby można było przerzucić ludzi i sprzęt. Nie opłaca się budować betonowych pasów startowych, ale improwizowane lądowisko z niezabezpieczonym gruntem nie jest dobrym rozwiązaniem: chmury pyłu wzbijanego w powietrze przez śmigła nie służą trwałości sprzętu, a niestabilne podłoże utrudnia starty i lądowania. I co teraz? Tracić czas i zasoby na zwożenie budulca, żeby za kilka miesięcy wybudowaną z dużym trudem infrastrukturę porzucić?

To nie są mity

Jest już na to sposób: wystarczy zatrudnić… wyspecjalizowane bakterie. Wykonają one całą robotę, a powstanie lądowisko jak marzenie. Nie, to nie żart, Amerykanie już jakiś czas temu pomyślnie przetestowali takie rozwiązania w ramach konceptu wspieranego przez Agencję Zaawansowanych Projektów Badawczych w Obszarze Obronności (Defense Advanced Research Projects Agency – DARPA). Projekt został nazwany „Medusa” ze względu na analogię do znanej z antycznej mitologii istoty, która wszystko, co żyje, zamieniała spojrzeniem w kamień. W pomyśle Amerykanów chodzi o to samo: o zamianę niepewnego gruntu w twardą skorupę, która będzie na tyle mocna i stabilna, że umożliwi bezpieczne lądowanie. Procedura wcale nie jest przy tym skomplikowana: trzeba mianowicie rozprowadzić po terenie odpowiednią ilość bakterii, a następnie karmić je słoną wodą, dostarczyć mocznik i wapń – a są to substancje łatwiej dostępne i tańsze niż cement. Efekt jest, by tak rzec, murowany: bakterie rozpoczynają proces chemiczny, którego finalnym rezultatem jest utwardzone lądowisko.

Próbne testy technologii przeprowadzili już w lipcu 2021 roku spece z firmy Biomason we współpracy z amerykańskim wojskiem na terenie bazy amerykańskich sił powietrznych Andersen na pacyficznej wyspie Guam. Testy udowodniły przydatność tej metody: udaje się za jej sprawą w ciągu 96 godzin przygotować lądowisko, które wytrzyma start nawet ciężkich maszyn transportowych.

Samoregeneracja

Ale budowa tymczasowej infrastruktury to jedno – czym innym jest utrzymanie w dobrym stanie tej już istniejącej. Oprócz niezaprzeczalnych zalet beton ma też swoje wady: z czasem kruszeje, pęka i zaczyna tracić swą główną cechę – wytrzymałość. Z tego powodu infrastrukturę betonową – pasy startowe, lądowiska, place manewrowe, place ćwiczeń, przystanie i porty – trzeba regularnie monitorować i w razie potrzeby poddawać renowacji. A ponieważ beton to podstawowy materiał budowlany także w wojsku, robi się poważnie: koszty utrzymania, remontów i renowacji infrastruktury wojskowej idą rocznie w grube miliony.

Chyba najlepiej byłoby, gdyby utrzymywała się ona… sama. Właśnie z tego względu prowadzone są bardzo szerokie badania nad materiałami, które na to pozwolą, czyli będącymi w stanie odbudowywać własną strukturę po uszkodzeniu. – W Polsce nie mamy jeszcze dobrej nazwy na to, co po angielsku określa się jako self-healing materials – wyjaśnia prof. dr hab. inż. Jerzy J. Sobczak z Wydziału Odlewnictwa Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie. – Spotkałem mnóstwo określeń: materiały samouzdrawiające się, samoregenerujące, samogojące, samozabliźniające, samoodnawialne, samoporządkujące – dodaje. Ze względu na to, że ogromna część infrastruktury wojskowej powstaje z użyciem betonu, szczególnie istotne wydają się badania nad tzw. samoregeneracją właśnie tego materiału. – Koncepcja idzie tu w kierunku stosowania tzw. środka gojącego. Gdy w materiale powstaną uszkodzenia, szczelina lub pęknięcie, to powinien on mieć zdolność do samoistnego przywracania funkcjonalności – wskazuje profesor.

Testowane są różne metody samoregeneracji betonu. Przygotowuje się na przykład specjalną mieszankę betonową, która zawiera mikrokapsułki ze środkiem gojącym. – Gdy dochodzi do pęknięcia, mikrokapsułki zaczynają działać – wyjaśnia prof. Sobczak – Środek gojący wycieka w te szczeliny, wypełnia je i za sprawą katalizatora, który znajduje się w betonie, następuje proces chemiczny sprawiający, że szczelina się zabliźnia. Inna metoda polega na wprowadzaniu do mieszanki betonowej specjalnych mineralnych domieszek. – W przypadku powstania szczeliny, środki mineralne się rozszerzają, pęcznieją, również w obecności wody, i ostatecznie wypełniają pęknięcie – opisuje prof. Sobczak. Testowane są również metody z zastosowaniem kompozytów, zwłaszcza tzw. materiałów multifunkcjonalnych. – Z grubsza rzecz ujmując, wykorzystują one mechanizm działania samej struktury kompozytowej typu ECC [Engineered Cementitious Composite], która zamienia pęknięcia na mikroszczeliny, a te już nie są takie niebezpieczne dla całego materiału – mówi profesor.

Pracownik firmy Biomason, w ramach projekt Medusa, „karmi” bakterie, aby utwardzić powierzchnię pasa startowego. Durham w stanie Karolina Północna

Bakterie w akcji

Najbardziej, jak się wydaje, zaawansowane i obiecujące prace dotyczą tzw. biobetonu. Wykorzystywane są w nim specjalnie dobrane szczepy bakterii, zdolne do wytrącania węglanu wapnia, związku chemicznego, który wchodzi w skład materiałów budowlanych, w tym przede wszystkim cementu. Sposoby jego przygotowania są różne. – Jeden polega na wymieszaniu betonu z bakteriami zamkniętymi w specjalnych kapsułkach zawierających mocznik i związek soli wapnia – wskazuje dr Agata Goryluk-Salmonowicz z Katedry Biochemii i Mikrobiologii Szkoły Głównej Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie. Bakterie te tworzą tzw. przetrwalniki, czyli specjalne formy pozwalające przetrwać w niekorzystnych warunkach środowiskowych, takich jak wysokie zasolenie czy brak wody. – W tej postaci bakteria może w stanie uśpienia przeżyć miesiące czy nawet lata, czekając na warunki korzystne dla rozwoju – wyjaśnia dr Goryluk-Salmonowicz – A kiedy pojawią się woda i składniki odżywcze, z zarodnika kiełkuje i powstaje forma bakteryjna zdolna do namnażania się.

Po wylaniu betonu i jego zastygnięciu przetrwalniki są w stanie uśpienia, ale gdy w ich sąsiedztwie znajdzie się woda (pęknięcie konstrukcji), powstaje z nich czynna bakteria. – Bakterie zaczynają prowadzić procesy metaboliczne, korzystając ze składników odżywczych zawartych w kapsułce. Produktem ubocznym tych reakcji jest węglan wapnia, który tworzy twarde struktury. Wytrącony węglan wapnia krystalizuje się i wypełnia uszkodzenia – opisuje dr Goryluk-Salmonowicz. Inny sposób stosowania bakterii polega na wprowadzeniu w miejsce pęknięcia tzw. roztworu wiążącego. Zawiera on bakterie i substancje odżywcze, czyli to, co jest potrzebne, by uruchomić proces, którego konsekwencją jest „zaleczenie” betonowego pęknięcia.

Poza wskazanym wyżej programem „Medusa” Amerykanie prowadzą też inne. Bardzo obiecujące wydają się na przykład testy programu „BRACE” (Bio-inspired Restoration of Aged Concrete Edifices). Sposobem na zwiększenie żywotności betonowej infrastruktury wojskowej ma tu być uformowanie w samym betonie pewnego rodzaju układu naczyniowego na wzór istniejącego w organizmach wielokomórkowych. Zakłada się, że dzięki temu beton zyska zdolność do samoregeneracji nie tylko na powierzchni, lecz także w głębi, zanim pęknięcie stanie się widoczne.

We współpracy z amerykańskim Departamentem Obrony rozwijany jest także program „Engineered Living Marine Cement”, w którym testuje się zastosowanie bakterii do regeneracji infrastruktury wojskowej w środowisku morskim (takiej jak przystanie czy falochrony), a nawet stabilizacji dna morskiego w newralgicznych lokalizacjach. DARPA patronuje także programowi „Reefense”, którego celem jest opracowanie samoregenerujących się struktur naśladujących morskie rafy. Ich zadaniem będzie uzupełnienie lub nawet zastąpienie tradycyjnego betonu w budowie przybrzeżnych umocnień oraz ochrona morskiej infrastruktury wojskowej przed erozją i zniszczeniami wywołanymi przez sztormy.

Nie tak odległa przyszłość

A perspektywy? – To technologia wymagającą jeszcze dalszych badań. Należy dopracować podstawowe parametry procesu, przede wszystkim skład pożywki w kapsułce, aby nie doprowadzać np. do korozji zbrojenia, które może stanowić rusztowanie konstrukcji betonowej – przyznaje dr Agata Goryluk-Salmonowicz. Problemem jest także koszt produkcji biobetonu, dużo wyższy niż materiału tradycyjnego. – Warto jednak pamiętać, że konstrukcje z biobetonu nie będą wymagały napraw czy kosztownych remontów, gdyż jest to beton samoregenerujący się – podsumowuje ekspertka.

Ponieważ prace nad tą technologią prowadzi wiele ośrodków naukowych na świecie, jej dopracowanie, a następnie szerokie zastosowanie – także w wojsku – wydaje się sprawą wcale nie tak odległą. Jej zalety są bowiem niebagatelne.