تعتبر الخرسانة المادة الأساسية في معظم مشاريع البناء حول العالم، إلا أن واحدة من أبرز عيوبها تكمن في قابليتها للتشقق بسهولة، مما يهدد سلامة المباني والجسور والبنى التحتية بشكل عام. في محاولة لحل هذه المشكلة، استلهمت البروفيسورة جين من قسم تكنولوجيا الهندسة والتوزيع الصناعي فكرة من الطبيعة لتطوير نظام لحاء صناعي يتيح للخرسانة إصلاح نفسها دون تدخل خارجي.
أهمية الخرسانة وتحدياتها
الخرسانة هي المادة الأكثر استخدامًا في البناء، حيث تُشكل الأساس لكل شيء من الجسور الشاهقة إلى المباني السكنية. تتكون الخرسانة من خليط من الحجر المسحوق والرمل مع طين مسحوق وحجر جيري، وعند إضافة الماء، يتصلب هذا الخليط من خلال تفاعل كيميائي يُعرف بالترطيب. لكن، تتعرض الخرسانة للعديد من العوامل الطبيعية مثل دورات التجمد والذوبان، والانكماش عند الجفاف، والأحمال الثقيلة، مما يؤدي إلى تشققها.
حتى الشقوق الصغيرة التي لا تُرى بالعين المجردة يمكن أن تسمح للسوائل والغازات بالوصول إلى التعزيزات الفولاذية المدمجة، مما يسبب التآكل ويضعف الهيكل. اكتشاف هذه الشقوق قبل أن تشكل خطرًا على الأرواح يعد تحديًا كبيرًا ومكلفًا، حيث تُنفق الولايات المتحدة مليارات الدولارات سنويًا على إصلاح البنية التحتية الخرسانية.
الحلول التقليدية ومحدوديتها
على مدار العقود الثلاثة الماضية، تم البحث بشكل مكثف في الخرسانة ذاتية الإصلاح المعتمدة على الميكروبات، ولكنها تعاني من قيد مهم يتمثل في عدم استقلاليتها الكاملة، حيث تحتاج إلى مصدر خارجي للمواد المغذية لاستمرار إنتاج مواد الإصلاح. على سبيل المثال، بعد تحديد موقع الشق، قد يحتاج المفتشون إلى حقن أو رش مواد مغذية داخل الشق، وهو ما يعد غير عملي.
ابتكار نظام لحاء اصطناعي
استلهمت البروفيسورة جين نظامها من اللحاء الطبيعي، وهو عبارة عن شراكة تكافلية بين الفطريات والطحالب أو البكتيريا الزرقاء، مما يسمح له بالعيش في أصعب الظروف. بالتعاون مع فريق من الباحثين بجامعة نبراسكا-لينكولن، تم تطوير نظام لحاء صناعي يستخدم البكتيريا الزرقاء التي تحول الهواء وأشعة الشمس إلى غذاء، والفطريات التي تنتج المعادن لسد الشقوق.
هذا النظام يعمل بشكل مستقل عن أي تدخل خارجي، حيث يعتمد فقط على الهواء والضوء والماء للبقاء. وقد أثبتت الاختبارات المخبرية أن هذه الكائنات الدقيقة قادرة على النمو وإنتاج المعادن لسد الشقوق حتى في البيئات الصعبة مثل الخرسانة.
التحديات الاجتماعية والأخلاقية
تتجاوز البروفيسورة جين عملها في المختبر للتفكير في التأثيرات الأوسع. فهي تتعاون مع أساتذة من أقسام العلوم الاجتماعية بجامعة تكساس إيه آند إم لتطوير فهم أفضل لتصور الجمهور حول استخدام الكائنات الحية في البناء، وكذلك القضايا الأخلاقية والاجتماعية والبيئية والقانونية المرتبطة بذلك.
الخاتمة
البحث الثوري الذي تقدمه جين يمتلك إمكانيات بعيدة المدى وتطبيقات واسعة. الخرسانة ذاتية الإصلاح يمكن أن تقلل بشكل كبير من تكاليف الصيانة، وتمدد عمرها الافتراضي، وحتى تحمي الأرواح من خلال زيادة الأمان. يمكن أن يكون لها تأثير كبير في جميع مجالات البناء المستدام، بما في ذلك البنية التحتية الفضائية.
