Slovenski raziskovalci v boj proti propadanju lesa z živimi premazi za samozdravljenje materialov

Gradbeništvo je po nekaterih ocenah odgovorno za približno 30 do 40 odstotkov vseh izpustov ogljikovega dioksida, porabi približno 30 odstotkov vseh naravnih materialov oziroma surovin in proizvede ravno toliko odpadkov. Les je v gradbeništvu odličen odgovor na te izzive, meni Iztok Šušteršič, vodja raziskovalne skupine za trajnostno gradnjo v inštitutu InnoRenew CoE.

Temu pritrjuje tudi Evropska unija, ki leseno gradnjo vidi kot enega izmed načinov za doseganje ciljev zaveze, da do leta 2030 zmanjšamo emisije toplogrednih plinov za 55 odstotkov in da podnebno nevtralnost dosežemo do leta 2050.

Les je po besedah Šušteršiča res trajnosten material, saj ne predstavlja izvora ogljikovega dioksida, temveč njegov ponor. "Drevo za rast potrebuje sončno svetlobo, vodo in ogljikov dioksid. In ko kos lesa zažgete, bo izpustil prav toliko ogljikovega dioksida, kot ga je potreboval, da je drevo zraslo. Les je torej ogljično nevtralen. Če ga v objektih uporabljamo dlje časa, s tem na neki način skladiščimo ta ogljikov dioksid," pojasnjuje Šušteršič. Z uporabo lesa bi torej lahko gradbeništvo iz vira emisij ogljikovega dioksida spremenili v njegov ponor, meni raziskovalec.

Zelo pomembno je tudi, kaj se z objektom zgodi po koncu njegove uporabe, "da ga ne le podremo in odpeljemo na deponijo, temveč da te komponente ponovno uporabimo nekje drugje, šele čisto na koncu pa ga porabimo za energetske namene," poudarja Šušteršič. "Ravno ta ponovna uporaba materiala v kombinaciji s trajnostnim gospodarjenjem z gozdovi je tista, ki nam lahko omogoča res pravo ogljično nevtralnost."

Razkorak med praktičnimi izkušnjami in hitrim vzponom lesene gradnje

Lesena gradnja je v zadnjih približno 20 letih naredila velik napredek, a kljub temu z lesom še nimamo toliko izkušenj, kot pri gradnji z betonom, jeklom ali opeko pravi Iztok Šušteršič. "Beton je izkusil že vse od poplav, najhujših potresov, požarov ... lesene stavbe pa še niti ne. Imamo zelo veliko podatkov, raziskav, laboratorijev, ampak v praksi pa izkušenj še ni veliko, zato imamo še kar precej dela." Pri gradnji z lesom je potrebnega tudi več usklajevanja med panogami in sodelovanja - bolj holistično projektiranje, pravi raziskovalec.

Prav z namenom raziskav lesa, pa tudi drugih trajnostnih materialov, kot so konoplja ali lan, je februarja letos v Izoli zrasel inštitut InnoRenew CoE, ki se nahaja v največji leseni stavbi v Sloveniji. Za gradnjo objekta so uporabili skoraj 1000 kubičnih metrov lesa, ki ga v okviru različnih laboratorijev preučujejo, svoje znanje pa prenašajo tudi v industrijo.

Stavba pooseblja laboratorij - skoraj vsak element je namreč namenjen preučevanju. Vanjo je vgrajenih tudi 130 senzorjev, ki pomagajo razumeti, kako se stavba obnaša in kako vpliva na ljudi, ki so v njej. S senzorji med drugim merijo kakovosti zraka ter temperaturo, pa tudi vlago v različnih slojih lesene fasade. Eden od ciljev je, da bi znali napovedati, kako se bo določena vrsta lesa z določenimi izboljšanimi lastnostmi obnašala - "kako bo ta kos lesa izgledal na nekem objektu čez leto, 10, 20, v odvisnosti od tega, kje se ta objekt nahaja," pojasni Šušteršič.

Zaradi različnih napak pri projektiranju ali gradnji objektov zaradi katerih pride do trohnjenja, gre trend v smer vse pogostejšega vgrajevanja senzorike v stavbe, pojasnjuje Šušteršič. Napake se namreč vidijo šele nekaj let po tem, ko do njih pride, in ko je odpravljanje težave, ki je zaradi njih nastala, veliko bolj zahtevno, kot v začetni fazi."

Les je namreč material, ki propada - je veliko bolj občutljiv na zunanje vplive, posebej na vlago, zato raziskovalci iščejo najrazličnejše načine, kako ga zaščititi, "da ga bomo lahko uporabljali ne samo trajnostno, ampak tudi trajno," poudarja Šušteršič.

Proti propadanju lesa s premazi iz živih organizmov

Ena izmed ključnih slabosti lesa je torej, da propada, še posebej, če je izpostavljen zunanjim vplivom. Za zaščito lesa se zato uporabljajo zaščitni premazi, ki povečujejo funkcionalno in estetsko trajnost materialov z zaščito njihove površine pred razgradnjo. Ti pogosto vsebujejo škodljive snovi - biocide, mineralna olja ali sintetične kemikalije, ki izboljšujejo njihovo učinkovitost, a so toksični in okolju neprijazni.

Na InnoRenew CoE želijo zato v okviru projekta ERC z naslovom ARCHI-SKIN, ki ga je letos pridobila Anna Sandak, revolucionirati zaščito materialov z razvojem nove generacije živih materialov oziroma živih premaznih sistemov. Gre za premaze iz celic živih organizmov, kot so glive.

Materiali iz gliv, ki so vzgojene v laboratoriju, že obstajajo. Glive tako že več modnih blagovnih znamk denimo uporablja za izdelavo usnju podobnih materialov. A materiali, ki jih poskušajo razviti na InnoRenew gredo nekaj korakov dlje - to niso le "mrtvi" materiali, vzgojeni iz gliv, temveč so živi - v njih so celice gliv, ki se hranijo, razmnožujejo - ter se lahko tudi regenerirajo in samozdravijo v primeru poškodb.

"Naše sanje so materiali, ki so živi, aktivni in ki torej počnejo več kot to, da le ščitijo material. Predstavljajte si, da bi bile stavbe v velikih mestih zgrajene iz materialov s premazi iz različnih živih celic, ki lahko producirajo kisik in s tem čistijo zrak, ki morda oddajajo svetlobo ..." o možnostih aplikacij živih materialov navdušeno razlaga Sandak.

Velikost svetovnega trga zunanjih arhitekturnih premazov je bila sicer leta 2021 ocenjena na 44,4 milijarde dolarjev oziroma približno 42 milijard evrov, do leta 2027 pa naj bi dosegla 57 milijard dolarjev. Leta 2020 je bilo proizvedenih 50 milijard litrov premazov, kar kaže na ogromen tržni potencial, pojasnjuje Sandak.

Preučujejo biofilm iz gliv

V okviru projekta kot ključno sestavino novih premazov preučujejo biofilm, ki je eden najstarejših bioloških sistemov na Zemlji. Pod drobnogled so vzeli biofilm gliv, ki je razmeroma slabo poznan. Glive so sicer po besedah Sandak odlične kandidatke za nastanek biofilma, saj so posebej prilagojene za rast na površinah.

Čeprav glive običajno veljajo za razgrajevalce ali razkrojevalce organskih snovi - povzročajo lahko denimo degradacijo lesa - je njihov učinek lahko tudi pozitiven. Ob ustreznem nadzoru in vzdrževanju lahko namreč razvijejo robusten biofilm, ki lahko aktivno ščiti materiale - les, pa tudi beton, plastiko in kovino - pred različnimi biotskimi (kot so druge glive) in abiotskimi (UV, vlaga, onesnaževala) dejavniki. "Glavna prednost takega pristopa je, da deluje v sinergiji z naravo in ne proti njej, ter da za zaščito materialov uporabi popolnoma biološki koncept," pravi Sandak.

S tem med drugim rešujejo problem enega najbolj zamudnih postopkov pri renovaciji materiala - odstranjevanje starih slojev klasičnih premazov. Njihovega premaza iz živih celic namreč ni treba odstraniti, temveč je treba le aplicirati olje - to je lahko čisto običajno laneno olje ali pa kakšno drugo - s katerim se glive hranijo. Če bodo pogoji optimalni, bodo rasle hitro in s tem zaščitile les, če ne, bodo nekaj časa hibernirale in čakale na boljše vreme, pojasni Sandak.

Z raziskavami so še na začetku

Projekt se je začel septembra letos, zato so še na začetku, poudarja podoktorska raziskovalka v projektu Karen Butina Ogorelec. V prvem delu projekta se osredotočajo na naravno kolonizacijo gliv na različnih materialih. V ta namen so na strehi stavbe na prostem postavili posebno instalacijo, na kateri je razvrščenih več kot 92 različnih vrst materialov, predvsem lesa, ki so obrnjeni v različne smeri neba ter so izpostavljeni naravnim vremenskim vplivom.

Materiale redno vzorčijo, da bi ugotovili, kakšne vrste gliv se lahko držijo in rastejo na njih ter kako na kolonizacijo gliv vplivata lega in letni čas izpostavljenosti. Izvajajo tudi poskuse in vitro, da bi izvedeli več o glivi, ki je v središču njihovih raziskav (to je gliva vrste Aureobasidium pullulans), in razvili nove načine za spremljanje rasti te glive na površinah.

Raziskovalka Butina Ogorlec se nadeja, da bodo bodo njihove ugotovitve koristile industriji premazov in prispevale k novemu razvoju v smeri bolj trajnostnih premazov z višjimi funkcionalnostmi.

"Širše gledano pa upamo tudi, da bomo ljudi spodbudili k drugačnemu razmišljanju in da bodo na biofilme gledali kot na dobro stvar in nekaj, kar nam lahko koristi - če jih seveda dovolj dobro razumemo." Nadejajo se, da bodo s svojimi raziskavami prispevali tudi k napredku mikrobiologije, ki jo na inštitutu inovativno združujejo z raziskavami materialov in gradbeništvom.

"Vsekakor verjamem, da se bo področje živih premazov oziroma širše področje živih materialov kmalu razcvetelo. Menim, da lahko ponudi nekaj pomembnih strategij za ublažitev podnebnih sprememb in onesnaževanja, pa tudi za vnos morda več narave v naše grajeno okolje. Poleg tega pričakujem, da koncept pametnih živih materialov ne bo omejen na gradbeni sektor, ampak se bo razširil na druge sektorje - tako kot uporabljamo zaščitni ovoj za stavbe, bi lahko morda uporabljali zaščitni ovoj za ladje in avtomobile itd."

Novo znanje, pridobljeno v okviru projekta, pa bi lahko uporabili ne le na področju znanosti o materialih temveč tudi v biotehnologiji, medicini ali farmaciji, še dodaja Sandak.