Бетон становится умнее: как живой цемент превращает стены в энергетические хранилища будущего

В лаборатории датского Орхусского университета учёные впервые превратили обычный цемент в материал, способный не только выдерживать нагрузку, но и накапливать, сохранять и восстанавливать энергию. Эта разработка разрушает привычное представление о бетоне как о пассивном материале и открывает возможность создавать здания, которые становятся частью энергетической системы, а не просто её потребителем.

Живой цемент: новый тип конструкционного материала

Идея объединить несущую структуру и источник питания возникла из наблюдения: здания теряют энергию при передаче электричества по линиям, особенно в жаркие периоды. Команда под руководством доктора Ци Ло, исследователя в области гражданского и архитектурного машиностроения, предложила решение — встроить энергоёмкие свойства прямо в строительный материал.

Такой цемент ведёт себя как суперконденсатор — устройство, способное быстро накапливать и отдавать заряд. Это значит, что энергия солнечных панелей или ветровых генераторов может храниться в самих стенах, без внешних батарей. Эксперименты показали мощность около 81 ватта на фунт, что уже приближается к показателям промышленных прототипов суперконденсаторов.

Почему цемент, а не батарея? Потому что бетон присутствует повсюду. Встраивание энергоаккумулирующих функций в стены снижает расходы, избавляет от дополнительного оборудования и позволяет использовать существующие строительные технологии без радикальных изменений.

"Мы объединили структуру с функцией", — сказал доктор Ци Ло после демонстрации прототипа.

Механизм работы: биология внутри бетона

Главное новшество — использование живых организмов. В цемент были внедрены электроактивные микроорганизмы Shewanella oneidensis, известные способностью передавать электроны внешним материалам. Эти микробы создают биоплёнку, в которой белки и окислительно-восстановительные молекулы образуют цепочку переноса заряда.

Чтобы бактерии могли жить в агрессивной щёлочной среде цемента, исследователи встроили микрофлюидные каналы, по которым подаются питательные вещества и витамины. Даже после периода "сна" микробы вновь активируются при подаче корма, а материал восстанавливает до 80 % прежней ёмкости.

Как долго живут такие системы? По данным экспериментов, биоплёнка сохраняет электропроводность даже после гибели части колонии: проводящие молекулы продолжают транспортировать электроны. Это значит, что материал остаётся функциональным даже в паузах между циклами питания.

Ни температура, ни кратковременные заморозки не оказали существенного влияния на работу устройства: образцы сохраняли стабильность при 32 °F (0 °C) и в диапазоне обычных температур помещений.

Применение: от мостов до датчиков

Встраивание накопителей энергии прямо в строительные элементы решает несколько задач одновременно. Такие конструкции могут:

• обеспечивать резервное питание для систем освещения и аварийных сигналов;
• сглаживать перепады нагрузки в локальных сетях;
• питать датчики состояния сооружений, работающие без внешнего электроснабжения.

Для городов это означает уменьшение потерь при транспортировке энергии и снижение нагрузки на распределительные узлы. В сельских и удалённых регионах бетонные аккумуляторы могут стать дешёвой альтернативой автономным источникам энергии.

А что если бактерии перестанут работать? Даже тогда цемент сохраняет прочность и несущие свойства — инженерная безопасность остаётся на уровне обычного бетона. Это принципиально отличает технологию от "живых" биоматериалов, где деградация живой части ведёт к разрушению структуры.

Испытания и результаты: шаг к индустриальному применению

Лабораторные тесты показали, что после нескольких циклов "кормления" микробы восстанавливают активность без необходимости замены материала. Шесть соединённых блоков устройства успешно зажгли светодиод, демонстрируя реальную передачу энергии.

По данным журнала Cell Reports Physical Science, опубликованные результаты подтверждают: цемент способен не только аккумулировать заряд, но и частично самообновляться после простоев. Это делает технологию применимой для инфраструктурных объектов — мостов, тоннелей, промышленных корпусов, где требуется долгая служба без обслуживания.

Можно ли масштабировать процесс? Пока что — ограниченно. Учёные разрабатывают схемы подачи питательных веществ через небольшие резервуары, встроенные в здания. Они могли бы пополняться раз в несколько недель, что делает эксплуатацию реалистичной для крупных сооружений.

Контроль за безопасностью микробов, рецептура питательных растворов и стандарты обслуживания станут предметом новых регламентов по мере начала пилотных проектов.

Сравнение с другими подходами

Мировые лаборатории уже исследуют структурные накопители энергии — бетон с углеродными нанотрубками или проводящими волокнами. Эти решения полагаются на неорганические проводники. Датская группа пошла дальше, введя биологический компонент, который способен реагировать на изменения среды и восстанавливаться.

Если углеродные композиты можно сравнить с батареей, то биоцемент — скорее живая энергетическая ткань. Он объединяет физику и биохимию, позволяя материалу "просыпаться" после периода покоя.

В чём риск подхода? Главный — в долговечности. Сухой воздух и солевые воздействия могут сокращать срок активности микробов. Но инженерная часть конструкции не страдает: цемент остаётся прочным даже при полном прекращении биологических процессов.

Такое сочетание устойчивости и функциональности делает технологию привлекательной для экспериментов с гибридными архитектурными системами, где стены и перекрытия становятся элементами энергетической инфраструктуры.

Перспективы развития и внедрения

Массовое использование живого цемента потребует адаптации стандартов строительства. Необходимы протоколы проверки электропроводности, механической прочности и стабильности при изменениях влажности.

Энергетическая инфраструктура зданий должна будет включать новые элементы:

• мини-резервуары с питательными растворами для микроорганизмов;
• микрофлюидные каналы для равномерной подпитки;
• системы диагностики состояния материала.

Что изменится для подрядчиков? Рабочие процессы практически не усложнятся: компоненты можно поставлять как добавку к стандартным цементным смесям. Основная нагрузка ляжет на контроль и обслуживание, которое потребует чёткого графика и обученного персонала.

В долгосрочной перспективе такие материалы могут стать частью умных городов, где здания действуют как автономные узлы накопления энергии, сокращая зависимость от централизованных сетей.