По данным Научного центра ЕС, все более частые экстремальные погодные явления приведут к усилению ущерба инфраструктуре, а потери, по оценкам, достигнут 20 миллиардов евро ежегодно к 2030 году. Эти насущные угрозы обостряют необходимость поиска новых ответов на проблему стабилизации почв.Ученые из лаборатории механики почв EPFL (LMS) разработали ряд устойчивых решений, в том числе одно, которое использует ферментативный метаболизм. Хотя эти методы работают для широкого спектра типов почв, они значительно менее эффективны, когда речь заходит о глинистых почвах. Команда ученых демонстрирует, как химические реакции могут быть усилены с помощью батарейной системы подачи электрического тока.
Новый вид био-цемента производится на месте и при температуре окружающей среды, недавно был предложен в качестве перспективного метода стабилизации различных типов почв. Этот метод использует бактериальный метаболизм для получения кристаллов кальцита, которые прочно связывают частицы почвы вместе. Этот биогеохимический процесс является энергоэффективным и экономически эффективным и может быть быстро развернут в ближайшие годы. Но так как грунт должен быть пропитан для того, чтобы метод работал, он меньше подходит для низкопроницаемых глинистых почв. Теперь команда LMS разработала и успешно протестировала жизнеспособную альтернативу, которая включает в себя применение электрического тока с помощью затонувших электродов.
Наши результаты показывают, что эта электрохимическая система действительно влияет на ключевые стадии процесса, особенно на образование и рост кристаллов, которые связывают почву вместе и улучшают ее поведение, говорит Dimitrios Terzis, ученый из LMS.
Био-цемент образуется путем введения химических веществ в почву. К ним относятся растворенные ионы карбоната и кальция, которые несут противоположные заряды. Затонувшие аноды и катоды используются для создания электрического поля, почти так же, как гигантская батарея. Ток заставляет ионы двигаться через низко проницаемую среду, где они пересекаются, смешиваются и в конечном итоге взаимодействуют с частицами почвы. В результате происходит рост карбонатных минералов, которые действуют как звенья или мостики, повышающие механические характеристики и устойчивость грунтов.
Этот документ, в котором излагаются выводы группы, полученные в результате наблюдения и измерения качества этих минеральных мостов, прокладывает путь для будущих разработок в этой области. Необходимы дальнейшие испытания в различных масштабах, прежде чем технология может быть применена в реальном мире. Исследование проводилось в рамках расширенного гранта Европейского исследовательского совета (ERC) на 2018-2023 годы, присужденного профессору Lessu Lalui, который возглавляет LMS. Проект имеет три вертикали, нацеленные на понимание фундаментальных механизмов, которые происходят в масштабе почвенных частиц (микро масштабе), усовершенствованную характеристику механического поведения в лабораторном масштабе и крупномасштабную разработку и демонстрацию инновационных систем в природных средах. В июле 2020 года та же исследовательская группа получила дополнительный грант ERC Proof Of Concept для ускорения передачи технологий в промышленные приложения.
В прошлом почвы рассматривались исключительно как смесь твердой земли, воздуха и воды. По мнению соавторов, это исследование подчеркивает, как междисциплинарные подходы-то есть использование концепций из биологии и электрохимии и включение достижений и механизмов из других научных областей-могут открыть захватывающие новые пути и принести значительные выгоды.