Die Infrastruktur unterstützt und erleichtert unser tägliches Leben - denken Sie an die Straßen, auf denen wir fahren, an die Brücken und Tunnel, die Menschen und Güter transportieren, an die Bürogebäude, in denen wir arbeiten, und an die Dämme, die das Wasser liefern, das wir trinken. Aber es ist kein Geheimnis, dass die amerikanische Infrastruktur altert und dringend rehabilitiert werden muss.
Insbesondere Betonbauwerke sind stark in Mitleidenschaft gezogen. Risse sind aufgrund verschiedener chemischer und physikalischer Phänomene, die im täglichen Gebrauch auftreten, sehr häufig. Beton schrumpft beim Trocknen, was zu Rissen führen kann. Es kann knacken, wenn sich darunter etwas bewegt, oder dank der Einfrier- / Auftauzyklen im Laufe der Jahreszeiten. Wenn Sie einfach zu viel Gewicht darauf legen, kann dies zu Brüchen führen. Schlimmer noch, die Stahlstäbe, die als Bewehrung in Beton eingebettet sind, können mit der Zeit korrodieren.
Winzige Risse können sehr schädlich sein, da sie einen einfachen Weg für Flüssigkeiten und Gase bieten - und die schädlichen Substanzen, die sie enthalten könnten. Beispielsweise können Mikrorisse dazu führen, dass Wasser und Sauerstoff eindringen und dann den Stahl korrodieren, was zu einem strukturellen Versagen führt. Sogar eine schlanke Verletzung, die nur die Breite eines Haares hat, kann genug Wasser einlassen, um die Unversehrtheit des Betons zu untergraben.
Kontinuierliche Wartungs- und Reparaturarbeiten sind jedoch schwierig, da sie normalerweise einen enormen Arbeits- und Investitionsaufwand erfordern.
Seit 2013 versuche ich herauszufinden, wie diese schädlichen Risse sich selbst ohne menschliches Eingreifen heilen können. Die Idee wurde ursprünglich von der erstaunlichen Fähigkeit des menschlichen Körpers inspiriert, sich von Schnitten, Blutergüssen und Knochenbrüchen zu heilen. Eine Person nimmt Nährstoffe auf, mit denen der Körper neue Ersatzstoffe herstellt, um geschädigtes Gewebe zu heilen. Können wir auf die gleiche Weise dem Beton die notwendigen Produkte liefern, um Risse aufzufüllen, wenn Schäden auftreten?
Meine Kollegen der Binghamton University, Guangwen Zhou und David Davies, Ning Zhang von der Rutgers University, und ich haben einen ungewöhnlichen Kandidaten gefunden, der bei der Selbstheilung von Beton hilft: einen Pilz namens Trichoderma reesei .
Die Forscher untersuchten eine Reihe von Pilzen auf der Suche nach einem Kandidaten, der helfen könnte, Betonrisse zu füllen. (Congrui Jin, CC BY-ND) Wir haben zunächst etwa 20 verschiedene Pilzarten untersucht, um eine zu finden, die den harten Bedingungen in Beton standhält. Einige haben wir aus den Wurzeln von Pflanzen isoliert, die auf nährstoffarmen Böden gewachsen sind, darunter aus den New Jersey Pine Barrens und den kanadischen Rocky Mountains in Alberta.
Wir fanden heraus, dass als Calciumhydroxid aus in Wasser gelöstem Beton der pH-Wert unseres Pilzwachstumsmediums von einem nahezu neutralen ursprünglichen Wert von 6, 5 bis auf einen sehr alkalischen Wert von 13, 0 anstieg. Von allen getesteten Pilzen konnte nur T. reesei diese Umgebung überleben. Trotz des drastischen pH-Anstiegs keimten seine Sporen zu fadenförmigem Hyphenmyzel und wuchsen mit oder ohne Beton gleich gut.
Sobald die Sporen (links) unter Zugabe von Wasser keimen, wachsen sie zu fadenartigem Hyphenmyzel (rechts). (Congrui Jin, CC BY-ND) Wir schlagen vor, Pilzsporen zusammen mit Nährstoffen während des anfänglichen Mischprozesses beim Bau einer neuen Betonstruktur einzubeziehen. Wenn die unvermeidlichen Risse auftreten und Wasser eindringt, keimen die ruhenden Pilzsporen.
Während des Wachstums wirken sie als Katalysator unter den kalziumreichen Bedingungen des Betons, um die Ausfällung von Kalziumkarbonatkristallen zu fördern. Diese Mineralablagerungen können die Risse ausfüllen. Wenn die Risse vollständig verstemmt sind und kein Wasser mehr eindringen kann, bilden die Pilze wieder Sporen. Wenn sich wieder Risse bilden und die Umweltbedingungen günstig werden, können die Sporen aufwachen und den Vorgang wiederholen.
T. reesei ist umweltfreundlich und nicht pathogen und birgt kein bekanntes Risiko für die menschliche Gesundheit. Trotz des weit verbreiteten Vorkommens in tropischen Böden gibt es keine Berichte über nachteilige Auswirkungen auf Wasser- oder Landpflanzen oder -tiere. Tatsächlich hat T. reesei eine lange Geschichte der sicheren Verwendung bei der Produktion von Kohlenhydrateenzymen wie Cellulase im industriellen Maßstab, die eine wichtige Rolle bei Fermentationsprozessen während der Weinherstellung spielt. Natürlich müssen die Forscher eine gründliche Untersuchung durchführen, um mögliche unmittelbare und langfristige Auswirkungen auf die Umwelt und die menschliche Gesundheit zu untersuchen, bevor sie als Heilmittel in der konkreten Infrastruktur eingesetzt werden.
Zukünftige Zementrezepte können Pilze enthalten. (Midtown Crossing im Turner Park, CC BY) Wir verstehen diese sehr junge, aber vielversprechende biologische Reparaturtechnik immer noch nicht vollständig. Beton ist eine raue Umgebung für den Pilz: sehr hohe pH-Werte, relativ kleine Porengrößen, starkes Feuchtigkeitsdefizit, hohe Temperaturen im Sommer und niedrige Temperaturen im Winter, begrenzte Nährstoffverfügbarkeit und mögliche Exposition gegenüber ultravioletten Strahlen durch Sonnenlicht. All diese Faktoren beeinflussen die Stoffwechselaktivitäten des Pilzes dramatisch und machen ihn für den Tod anfällig.
Unsere Forschung befindet sich noch im Anfangsstadium und es ist ein langer Weg, um die Selbstheilung praktisch und kostengünstig zu gestalten. Angesichts der Herausforderungen der amerikanischen Infrastruktur lohnt es sich jedoch, nach kreativen Lösungen wie dieser zu suchen.
Dieser Artikel wurde ursprünglich auf The Conversation veröffentlicht.
Congrui Jin, Assistenzprofessor für Maschinenbau an der Binghamton University der State University of New York
