В условиях стремительно прогрессирующего изменения климата во всём мире учёные ищут инновационные решения для снижения концентрации углекислого газа в атмосфере. Одним из самых впечатляющих прорывов стала разработка уникального фотосинтетического материала, который не только захватывает CO2, но и преобразует его в твёрдые минеральные структуры. Эта технология была представлена исследователями из Швейцарии и уже получила широкий резонанс благодаря своей эффективности и перспективам применения в строительстве и экологической инженерии. Основу нового материала составляет гидрогель, 3D-печатный и пористый, в который были внедрены сине-зелёные водоросли, или цианобактерии. Именно эти микроорганизмы и придают материалу его живые свойства, включая способность к фотосинтезу.
В естественных условиях фотосинтез преобразует углекислый газ, воду и солнечный свет в кислород и органические вещества, поддерживая жизненные циклы на Земле. В данном случае цианобактерии выступают in situ фабрикой для превращения вредных парниковых газов в полезные вещества, которые укрепляют сам материал. Уникальность технологии заключается в том, что цианобактерии, помимо выработки биомассы, способны минерализовывать углекислый газ в форме стабильных карбонатов, что аналогично образованию известняка. В процессе минерализации углекислый газ захватывается в твёрдую структуру, которая по мере времени повышает прочность и долговечность гидрогеля. Такой эффект выгодно отличает созданный материал от других биологических поглотителей CO2, которые ограничены только накоплением биомассы и, как следствие, имеют сравнительно низкую долговременную стабильность хранения углерода.
В ходе экспериментов, продолжавшихся более 400 дней, исследователям удалось продемонстрировать постоянное поглощение CO2 с эффективностью около 26 миллиграммов на грамм материала, что значительно превосходит аналоги среди живых систем поглощения углерода. За счёт формирования минерального скелета материал становился всё более жёстким и устойчивым, одновременно сохраняя свою фотосинтетическую активность. При этом изменения визуально проявлялись в усилении зелёного цвета, который свидетельствует о живой фотосинтетической активности цианобактерий. Особое внимание уделялось форме и структуре гидрогеля. Учёные использовали 3D-печать, чтобы экспериментировать с различными геометрическими конфигурациями, от кубических форм до сложных имитаций природных объектов, например, стволов деревьев.
Такая адаптация позволила оптимизировать пропускание света, воды и углекислого газа внутрь материала, создавая максимально комфортные условия для жизнедеятельности цианобактерий. Это крайне важно, учитывая, что фотосинтез требует гарантий постоянного доступа к свету и питательным веществам для стабильной работы. Одним из главных перспективных направлений является использование данного материала в архитектуре. В его роли может выступать защитное или декоративное покрытие фасадов зданий, способное активно улавливать углекислый газ снаружи, преобразовывая его в прочный минерал и биомассу. К примеру, на выставке архитектуры в Венеции было представлено два объекта, напоминающих по форме стволы деревьев, с потенциальной способностью поглощать до 18 килограммов CO2 в год.
Это примерно соответствует эффекту, который оказывает на атмосферу 20-летнее сосновое дерево, но с преимуществом компактности и возможности интеграции в урбанистическую среду. Одним из сложных вопросов, стоящих перед разработчиками, является обеспечение необходимого доступа к питательным веществам, таким как кальций и магний, которые играют роль минерализующих компонентов. В лабораторных условиях гидрогель был погружён в искусственную морскую воду, насыщенную нужными элементами, что обеспечивало процесс минерализации. Однако для масштабного применения в городских постройках необходимых технологий инжекции и регулярного снабжения питательными веществами пока только разрабатываются. Ученые рассматривают также возможность генного редактирования цианобактерий с целью повышения их фотосинтетической активности и скорости улавливания CO2.
Такая биоинженерная настройка может значительно увеличить эффективность материала, открывая путь к массовому применению технологии в борьбе с климатическими изменениями. Помимо экологической пользы, материал обещает стать инновационным строительным компонентом с низким энергопотреблением и высокой устойчивостью. В отличие от традиционных минералов, которые требуют значительных затрат энергии для производства, фотосинтетический материал создаёт свои структуры самостоятельно, используя лишь солнечный свет и доступный углекислый газ. Это значительно снижает углеродный след строительной отрасли, которая является одним из крупнейших источников эмиссии парниковых газов. Кроме фасадного использования, возможны и другие сферы применения — от создания декоративных архитектурных объектов до озеленения городов за счёт внедрения живых, фотосинтетических элементов, способных улучшить микроклимат и снизить уровень CO2 локально.
Внедрение таких материалов может гармонично вписаться в концепции устойчивого развития, «зелёных» городов и инновационного строительства. В целом, создание фотосинтетического, живого материала с функцией непосредственного поглощения углекислого газа является значительным шагом вперёд в научных поисках решения проблемы глобального потепления. Он объединяет биологию, химию, инженерное дело и экологию, демонстрируя, как междисциплинарные подходы могут привести к созданию технологий, способных не только сокращать воздействие человека на окружающую среду, но и преобразовывать его в новые возможности. Разработка материала — часть глобальной тенденции по интеграции биологических систем в технические приложения, создание биоактивных и самообновляющихся структур, которые находят всё больше применения в строительстве, энергетике и промышленности. В будущем, такие технологии смогут сыграть ключевую роль в переходе к низкоуглеродной экономике, дополнительно усиливая потенциал существующих методов улавливания и хранения углекислого газа.
Очевидно, что перед применением технологии в широком масштабе ещё предстоит решить ряд инженерных и биологических задач: оптимизировать процессы снабжения питательными веществами, улучшить долговечность и стабильность материала, а также утвердить экономическую целесообразность и безопасность таких систем. Тем не менее, уже сегодня фотосинтетический материал представляет собой инновационную платформу, способную в будущем кардинально изменить подход к использованию природных ресурсов и борьбе с климатическими изменениями. Учёные продолжают исследования, нацеленные на масштабирование технологии, расширение сферы применения и интеграцию фотосинтетических материалов в современные строительные процессы. Разработка не только экологически важна, но и экономически перспективна, способствуя созданию новых отраслей промышленности и рабочих мест, основанных на устойчивой биотехнологии. Таким образом, инновационный живой фотосинтетический материал, способный улавливать углекислый газ из атмосферы и преобразовывать его в устойчивую минеральную структуру, открывает новые горизонты для науки, экологии и строительства.
Эти достижения показывают силу биотехнологий как инструмента в борьбе с глобальными экологическими вызовами, и в ближайшем будущем могут стать неотъемлемой частью нашего повседневного мира и инфраструктуры.
