Města z kostí a domy z živých materiálů

Stavební alternativa k betonu a oceli

Beton, ocel a železobeton jsou osvědčenými stavebními materiály. Jejich velkou nevýhodou však je okolnost, že při jejich výrobě lidstvo produkuje asi 10 % z celkových emisí oxidu uhličitého, které vlivem lidské činnosti odcházejí do atmosféry. Jejich výroba je také poměrně dost energeticky náročná. V současné době jsme však na používání těchto materiálů při budování měst odkázáni a nemáme zde v podstatě jinou rozumnou alternativu.

Zvláštní alternativu k tradičním stavebním materiálům hledají např. odborníci v laboratoři doktorky Michelle Oyen, která působí na Cambridgeské katedře inženýrství. Jejich volba spočívá ve vývoji dostatečně pevných a trvanlivých stavebních materiálů, inspirovaných oblastí živé přírody. Michelle Oyen sama pracuje v oblasti biomimetiky a biomechaniky a hledá tudíž v tomto smyslu technologické vzory pomocí nápodoby přírodních struktur, za podpory americké agentury US Army Corps of Engineers.

Umělé kosti a skořápky

Doktorka Michelle Oyen především vytváří a zkoumá struktury z materiálů, podobných přírodním kostem a vaječným skořápkám. Dotyčné materiály jsou přitom po strukturální stránce kompozity, vytvořené z bílkovin a minerálů.

V kosti přitom existuje zhruba stejný podíl bílkovin, které materiálu dodávají houževnatost a pevnost, a minerálů, které mu dodávají tuhost a tvrdost. Ve vaječných skořápkách je oproti tomu 95 % minerálů a jen 5 % bílkovin, avšak i přesto je vaječná skořápka často dostatečně pevná. Výzkumníci vzali za základní bílkovinný materiál kolagen a nanášeli na něj podle jistého vzoru minerální vrstvy. Tyto minerály se nanášely v různých směrech u materiálu typu kost a u materiálu typu skořápka. Kombinací obou typů materiálů pak může vzniknout mřížka, která bude ještě pevnější a odolnější než původní jednotlivé materiály.

V laboratoři doktorky Oyen se přitom odborníci snažili vyrábět příslušné materiály za pokojové teploty, tedy s minimálním energetickým vstupem, a navíc takovým způsobem, aby bylo možno struktury z nich vytvářené dostatečně zvětšovat (škálovat). Nevýhodou jejich dosavadního postupu byla zatím okolnost, že využívaný kolagen byl živočišného původu.

Při rozvoji této materiálové technologie bude časem nutné produkovat kolagen nebo nějaký podobně vhodný polymer syntetickou cestou. Dalším velkým problémem je přirozená konzervativnost oblasti stavebnictví - nové materiály budou vyžadovat novou metodiku, novou výrobní infrastrukturu a odlišné standardy.

Dřevěné mrakodrapy

Doktor Michael Ramage z Cambridgeské katedry architektury zase propaguje využívání dřeva při stavbě výškových budov. Doktor Ramage totiž nedávno vytvořil návrh 80-tipatrového mrakodrapu o výšce 300 metrů, jehož základním stavebním prvkem jsou křížově laminované dřevěné trámy či desky. Plánovaný mrakodrap by měl obsahovat asi tisíc bytů a měl by stát v Londýnském centru.

Kůra borovice|foto: CC0 Public domain, littlevisuals.co

Dřevěné mrakodrapy by měly být podle svého propagátora lehké a levné, daly by se postavit snadněji a rychleji než ty dnešní a příslušný materiál by pocházel z obnovitelného zdroje. Momentálně je nejvyšší dřevěnou stavbou na světě 14-tipodlažní věžák v norském Bergenu, avšak Michael Ramage předvídá budoucnost, ve které budou moci být výškové budovy ze dřeva vyšší a budou také mnohem běžnější než dnes. Na první pohled je však často neodlišíme od budov z betonu a oceli.

Plány agentury DARPA - živé materiály

Americká vládní vojenská a výzkumná agentura DARPA se vydává na křídlech fantazie ještě dál. V rámci svého futuristického programu Engineered Living Materials (ELM, inženýrské živé materiály) usiluje o vývoj netradičních stavebních materiálů, které by byly schopny podle potřeb růst, vyvíjet se a obnovovat se (regenerovat).

Mohou to být např. z buněk složené materiály, podobné živým kostem, kůži, stromové kůře, houbám nebo korálům. Další výhodou podobných neobvyklých materiálů by mohly být nejen jejich regenerační nebo samočistící schopnosti, ale také schopnost kontrolovat určitým způsobem své vnitřní prostředí nebo reagovat na různé podněty.

Nemluvě o tom, že na místo stavby bychom nemuseli dopravovat stavební segmenty v jejich finální, plně vyvinuté a tedy neskladné podobě. Stačilo by přivézt jejich malé prekurzory nebo zárodky a poté je nechat pomocí místních živin „dopěstovat” a nechat vyrůst do kýžené velikosti a podoby, vhodné ke kompletaci.

Jedním ze způsobů, jak tyto představy naplnit, jsou netradiční formy 3D tisku, kdy bude docházet např. k tisku živých buněk na substráty nebo mřížky z neživých materiálů. Dlouhodobým cílem je pak vyvinout takové typy živých struktur nebo komponent, jejichž konečné tvary a vlastnosti by byly obsaženy již v jejich „genomu”.

Pak by stačilo pouze nechat je samostatně vyrůst podle jejich vnitřní „genetické informace” a žádné pomocné mřížky, lešení nebo vnější zásahy by pak nebyly nutné. Zdá se, že v současné době je DARPA jedinou institucí na světě, schopnou podporovat a financovat podobně fantastické projekty.

Zdroje: University of Cambridge, OyenLab, News.com.au, Serious Wonder, DARPA, FedBizOpps, Next Big Future