Учени от Швейцарския федерален технологичен институт в Цюрих (ETH Zurich) разработват иновативен метод за производство на строителни елементи, при който бактерии свързват пясъчни частици в твърди минерални структури. Технологията позволява създаването на сложни архитектурни форми при стайна температура, без необходимост от високотемпературно изпичане.

Изследването е ръководено от Карен Анторвеса Паес (Karen Antorveza Paez), която съчетава естествените процеси на минерализация с дигитално проектиране, 3D печат и роботизирани системи. Резултатите са представени от ETH Zurich на 14 октомври 2026 г.

Биоциментация: Как бактериите превръщат пясъка в твърд материал?

В основата на технологията стои процесът микробно индуцирано утаяване на калциев карбонат (MICP), известен още като биоциментация.

При него определени микроорганизми, включително бактерията Sporosarcina pasteurii, произвеждат ензима уреаза, който разгражда уреята. При подходящи условия и наличие на калциеви йони се образуват кристали от калциев карбонат, основният минерален компонент на варовика.

Тези кристали се отлагат между пясъчните зърна и постепенно ги свързват в устойчива минерализирана структура.

За разлика от конвенционалното производство на цимент, което изисква температури над 1000°C, биоциментацията протича при температурата на околната среда.

Този подход предлага възможност за намаляване на енергията, необходима за производството на определени строителни материали.

3D печат с биомастило за архитектурни елементи

Първият метод, разработен от изследователския екип, използва екструзионен 3D печат с биомастило.

Материалът представлява пастообразна смес от пясък, живи бактерии и воден гел на основата на алгинат и ксантанова гума.

Чрез 3D принтер сместа се нанася последователно в предварително проектирана геометрична форма.

След отпечатването все още неукрепналият елемент се потапя в минерализираща баня, съдържаща урея и калциев хлорид.

В продължение на два до пет дни бактериите предизвикват образуването на калцитни кристали, които свързват пясъчните частици и постепенно втвърдяват структурата. През този период минерализиращият разтвор се подменя ежедневно.

След изсушаването остава твърд минерален материал, а бактериалната активност се прекратява.

По този начин учените вече са изработили експериментални фасадни елементи, които имат потенциал за приложение като слънцезащитни конструкции и неносещи преградни елементи.

Роботизирано напръскване изгражда конструкции слой по слой

Вторият метод използва роботизирана система за последователно нанасяне на пясък, бактериални култури и минерализиращ разтвор върху повърхност.

За разлика от 3D печата с биомастило, при този подход не е необходимо готовият елемент да се потапя в минерализираща баня.

Роботизирана ръка управлява нанасянето на материалите, като постепенно изгражда минерализирана структура чрез последователни слоеве.

Технологията е вдъхновена от естественото формиране на строматолити – слоести структури, чието образуване е свързано с дейността на микроорганизми.

Методът е демонстриран на Архитектурното биенале във Венеция през 2025 г. чрез инсталацията Geological Microbial Formations, която позволява на посетителите да наблюдават процеса на биоциментация.

Според изследователите роботизираното напръскване е перспективно за производство на архитектурни повърхности, докато екструзионният 3D печат е по-подходящ за отделни пространствени елементи.

Как технологията може да промени архитектурното проектиране?

Биоциментацията въвежда нов подход към взаимодействието между проектанта и строителния материал.

При конвенционалните методи архитектурната форма се създава чрез обработване и сглобяване на предварително произведени материали.

При биоциментацията самото формиране на материала е част от производствения процес.

Това означава, че освен геометрията и конструктивните характеристики, проектантите трябва да отчитат и биологични фактори като активността на микроорганизмите, разпределението на хранителните вещества и скоростта на минерализация.

Особено значение имат порьозността, вътрешната геометрия и площта на повърхността, които влияят върху равномерното образуване на калциев карбонат.

Дигиталните инструменти позволяват тези параметри да бъдат анализирани и оптимизирани още на етап проектиране.

Може ли биоциментът да замени бетона?

Въпреки постигнатите резултати, технологията все още се намира в изследователски етап.

Произведеният чрез биоциментация материал засега е по-близък по характеристики до строителен разтвор, отколкото до конструктивен бетон.

За приложението му в носещи конструкции са необходими допълнителни изследвания на механичната якост, дълготрайността и поведението при различни експлоатационни условия.

Сред факторите, които влияят върху качеството на материала, са гранулометричният състав на пясъка, концентрацията на бактериите, подаването на хранителни вещества и условията на втвърдяване и сушене.

Съществуват и екологични предизвикателства. При разграждането на уреята се образуват амониеви съединения, които изискват подходящо управление, за да не се допусне замърсяване на околната среда.

Затова потенциалните ползи от по-ниската енергийна консумация трябва да бъдат оценени заедно с цялостното въздействие на производствения процес.

Нова посока за устойчивите строителни материали

Комбинацията от биологични процеси, роботизация и адитивно производство открива нови възможности за създаване на архитектурни елементи със сложна геометрия.

Макар биоциментацията все още да не предлага пълноценен заместител на традиционните конструктивни материали, изследването на ETH Zurich показва потенциала на технологията за производство на фасадни и други неносещи елементи.

Следващите стъпки са свързани с подобряване на механичните свойства, увеличаване на производствения мащаб и оценка на екологичната ефективност.

В дългосрочен план подобни технологии могат да допринесат за развитието на строителни материали, които се произвеждат с по-малко енергия и чрез по-ефективно използване на природните процеси.