Исследователи из ETH Zurich разработали новый фотосинтезирующий материал, который может расти, твердеть и удалять углекислый газ из атмосферы, оставаясь при этом живым.
Прорыв основан на использовании цианобактерий — древних микробов, способных к эффективному фотосинтезу даже при слабом освещении.
Эти бактерии, заключённые в printable hydrogel (гидрогель, пригодный для печати), образуют живую структуру, которая растёт, используя только солнечный свет, CO₂ и искусственную морскую воду, богатую питательными веществами. Со временем бактерии не только создают биомассу, но и запускают процесс минерализации, твердея материал и сохраняя углерод в твёрдой форме.
Инкубационные камеры позволяют цианобактериям размножаться в свежеотпечатанных структурах.
«Этот материал в будущем может помочь накапливать CO₂ непосредственно в зданиях», — говорит руководитель проекта Марк Тиббитт, профессор макромолекулярной инженерии в ETH Zurich.
«Материал может хранить углерод не только в биомассе, но и в форме минералов — это особое свойство этих цианобактерий».
«Цианобактерии — одни из древнейших форм жизни в мире, — говорит соавтор Ифань Цуй. — Они высокоэффективны в фотосинтезе и могут использовать даже самый слабый свет для производства биомассы из CO₂ и воды».
Подготовка фотосинтетических живых материалов для двойного связывания углерода.
Во время фотосинтеза бактерии изменяют химическую среду за пределами своих клеток, что приводит к образованию твёрдых карбонатов, таких как известь. Эти минералы откладываются внутри самого материала, со временем укрепляя структуру. Таким образом, цианобактерии постепенно твердеют изначально мягкие формы.
Лабораторные испытания показали, что материал непрерывно связывает CO₂ в течение 400 дней. Большая его часть находится в минеральной форме — около 26 миллиграммов CO₂ на грамм материала, что значительно больше, чем при многих биологических подходах, и сопоставимо с химической минерализацией, используемой в переработанном бетоне, который связывает около 7 миллиграммов на грамм.
Носителем для бактерий является гидрогель — мягкий гель, богатый водой, изготовленный из сшитых полимеров. Это позволяет живым клеткам оставаться активными, пока структура растёт и твердеет.
«Таким образом, мы создали структуры, которые обеспечивают проникновение света и пассивно распределяют питательную жидкость по всему телу за счёт капиллярных сил», — говорит исследователь доктор Далия Дрансейк, учёный-материаловед и инженер-технолог.
Команда рассматривает живой материал как низкоэнергетическую, экологически чистую альтернативу более промышленным формам улавливания углерода.
«В будущем мы хотим исследовать, как материал можно использовать в качестве покрытия для фасадов зданий, чтобы связывать CO₂ на протяжении всего жизненного цикла здания», — говорит Тиббитт.
Хотя технология всё ещё находится на стадии эксперимента, она уже привлекает внимание архитекторов. На Венецианской архитектурной биеннале команда представила свою работу в Канадском павильоне. Они использовали напечатанный гель для создания двух структур, похожих на стволы деревьев, высотой около трёх метров.
Благодаря цианобактериям каждая из этих экспериментальных башен может связывать до 18 килограммов CO₂ в год — примерно столько же углекислого газа связывает 20-летняя сосна в умеренном климате за год.
«Инсталляция — это эксперимент, — говорит докторант ETH Андреа Шин Лин. — Мы адаптировали Канадский павильон так, чтобы он обеспечивал достаточно света, влажности и тепла для размножения цианобактерий, а затем наблюдаем за их поведением».
Эти результаты опубликованы в журнале Nature Communications.