Mark Miodownik. Smoła, czyli drogi z cuchnącej cieczy

Żyjąc na płynnej planecie, możemy być pewni tylko jednego: zmian. Podnosi się poziom mórz, kontynenty pełzną po ziemskim płaszczu, wskutek erupcji wulkanów powstają i znikają lądy, a huragany, tajfuny i tsunami nacierają na wybrzeża, rujnując miasta. W obliczu tak niepewnej przyszłości jedynym rozsądnym rozwiązaniem jest budować domy, drogi, wodociągi, elektrownie, lotniska – wszystko, co jest nam potrzebne do godnej, cywilizowanej egzystencji – w taki sposób, by były zdolne przetrwać katastrofę. Ich struktury muszą być na tyle mocne, by oprzeć się trzęsieniom ziemi czy powodziom, lecz byłoby jeszcze lepiej, gdyby potrafiły same się reperować. Dzięki temu nasze miasta zyskałyby elastyczność i odporność na zmiany klimatu. Może się to wydawać fantazją, lecz przecież od milionów lat tak właśnie funkcjonują wszystkie żywe organizmy. Weźmy za przykład drzewo: w razie uszkodzenia przez burzę potrafi się naprawić, wypuszczając nowe gałęzie. Także nasza skóra, jeśli zatniemy się nożem, zasklepia się bez naszej ingerencji. Czy miasta nie mogłyby się samodzielnie uzdrawiać na podobnej zasadzie?

Lejek Parnella

W 1927 roku profesor Thomas Parnell z University of Queensland przeprowadził eksperyment, by sprawdzić, co się stanie z kawałkiem smoły umieszczonym w lejku. Po wielodniowej obserwacji stwierdził, że obiekt zachowuje się jak ciało stałe i pozostaje dokładnie tam, gdzie go położono. Lecz z biegiem miesięcy i lat zaczął bardzo wolno spływać przez lejek, zachowując się jak ciecz. Jej pierwsza kropla spadła w 1938 roku, kolejna w 1947, trzecia w 1954 i tak dalej, aż do dziewiątej w 2014 roku. To zachowanie bardzo zaskakujące jak na materiał, który wydaje się zupełnie twardy, gdy jedziemy po nim samochodem. Co tu się dzieje?

Okazało się, że smoła jest materiałem znacznie ciekawszym, niż to się śniło inżynierom materiałoznawstwa. Sprawia wrażenie nudnej, czarnej brei, którą wydobywa się z ziemi lub pozyskuje jako produkt uboczny rafinacji nafty. W rzeczywistości jest to dynamiczna mieszanka węglowodorów, która powstawała przez miliony lat z rozłożonej maszynerii komórkowej żywych organizmów. W wyniku ich rozkładu powstają złożone cząsteczki, które – choć nie należą już do żywego systemu – samorzutnie organizują się w wewnętrznie powiązane struktury. W typowej temperaturze mniejsze molekuły smoły mają dość energii, by przemieszczać się przez jej wewnętrzną architekturę, co nadaje materiałowi cechy płynu. Smoła jest więc cieczą, choć ekstremalnie lepką – dwa miliardy razy bardziej niż masło orzechowe – i to dlatego tak długo ściekała przez lejek Parnella.

Swój specyficzny ostry zapach smoła zawdzięcza cząsteczkom siarki, pierwiastka kojarzonego zwykle z cuchnącymi substancjami organicznymi. Kiedy przechodzimy czy przejeżdżamy obok robotników wylewających świeży asfalt, nie tylko widzimy, ale i czujemy, że rozgrzewają smołę. W ten sposób molekuły zyskują więcej energii na poruszanie się, a więc przepływ, jednocześnie jednak łatwiej się ulatniają. Dlatego materiał zaczyna wydzielać mocniejszy zapach, podobnie jak napoje, które po podgrzaniu roztaczają wyraźniejszy aromat.

Tworzenie dróg z jakiejś cuchnącej cieczy może się wydawać głupie, ale inżynierowie dodają do niej kamyków, aby powstała w ten sposób substancja złożona – po części ciecz, po części ciało stałe – podobna pod względem struktury do masła orzechowego, które składa się z wielu skruszonych kawałków orzechów zawieszonych w oleju. Mocne i twarde kamyki potrafią wytrzymać nacisk jadących asfaltową ulicą pojazdów i chronią powierzchnię drogi przed wpływem czynników środowiskowych. Jeśli jednak podda się ją działaniu zbyt wielkiej siły, w miejscach styku kamieni ze spajającą je smołą mogą się pojawić pęknięcia. I tu na ratunek przychodzi płynna natura smoły: materiał płynie i zalepia szczeliny, samoczynnie naprawiając drogę, która dzięki temu może służyć znacznie dłużej, niż gdyby była zbudowana z litej substancji.

Jako użytkownicy dróg na pewno zauważyliście, że ich zdolności do samonaprawy mają swoje granice. Drogi po jakimś czasie w końcu się starzeją i zaczynają rozpadać na dobre. Częściową winę za to ponosi temperatura. Jeśli bowiem spada ona poniżej, powiedzmy, 20°C, smoła staje się tak lepka, że traci zdolność przepływu i łatania pojawiających się pęknięć. Ponadto z biegiem czasu tlen wchodzi w reakcję z cząsteczkami smoły przy powierzchni, co również zwiększa jej lepkość, w coraz większym stopniu hamując proces zalepiania szczelin. Droga stopniowo zmienia barwę i traci płynność, tak jak skóra człowieka, która z wiekiem staje się coraz mniej elastyczna, a bardziej sucha. Wówczas pojawiają się małe dziury, które – jeśli nikt ich nie załata – powiększają się i całkowicie niszczą asfaltową powierzchnię.

Inżynierowie dobrze o tym wiedzą, o czym się przekonałem podczas podróży autobusem wahadłowym z lotniska do hotelu. Gdy tylko wjechaliśmy do miasta, utknęliśmy w korku spowodowanym przez remont nawierzchni. Autobus pełzł jak ślimak po jedynym czynnym pasie ruchu spośród trzech i przez pół godziny przejechaliśmy może półtora kilometra. Według mojego zegara biologicznego było około drugiej w nocy. Czułem się zmęczony i gwałtownie potrzebowałem się wysikać.

Lecz przecież nie musi tak to wyglądać, a przynajmniej my, materiałoznawcy, mamy taką nadzieję. Naukowcy i inżynierowie na całym świecie opracowują metody przedłużenia żywotności dróg i zmniejszania korków. W Holandii grupa inżynierów bada efekty wpuszczenia w smołę mikroskopijnych włókien stali. Nie zmienia to zbytnio mechanicznych właściwości drogi, lecz wyposaża ją w całkiem nowe cechy. Jeśli na taki materiał zadziałać zmiennym polem elektromagnetycznym, przez stalowe włókienka zacznie przepływać rozgrzewający je prąd, one zaś nagrzeją smołę, która w wybranych miejscach zyska większą płynność i zasklepi ewentualne pęknięcia. Chodzi tu zasadniczo o wzmocnienie samonaprawczych właściwości materiału oraz przeciwdziałanie skutkom niskich temperatur zimą. Technologię tę testuje się dziś na wybranych odcinkach holenderskiej autostrady, po których jeździ specjalny pojazd generujący pole elektromagnetyczne. Być może w przyszłości wszystkie samochody zostaną wyposażone w podobne urządzenie, a wówczas każdy użytkownik drogi, korzystając z niej, będzie jednocześnie przedłużał jej żywotność.

Innym rodzajem przeciwdziałania problemowi zmniejszenia swobody przepływu smoły jest uzupełnianie utraconych przez nią składników lotnych, od których zależy jej płynność. Najprościej robi się to, nanosząc na powierzchnię drogi specjalną substancję – odpowiednik kremu nawilżającego do rąk. Metodę tę rozwija obecnie zespół z Nottingham University pod kierownictwem doktora Alvaro Garcii. Badacze umieszczają w smole mikrokapsułki z olejem słonecznikowym, które pozostają nienaruszone do chwili pojawienia się drobnych uszkodzeń, a wówczas pękają. Uwolniony olej w newralgicznych miejscach zwiększa płynność smoły, wzmacniając jej samonaprawcze właściwości. Z badań wynika, że dwa dni po uwolnieniu się oleju asfalt odzyskuje pełną wytrzymałość. To znakomity wynik. Szacuje się, że ta technologia może wydłużyć żywotność drogi o 12 do 16 lat przy minimalnym zwiększeniu kosztów budowy.

Dystans do pszczół i os

Z kolei nasz zespół badawczy w Institute of Making pracuje nad technologiami skutecznej naprawy odcinków asfaltu, na których zdążyły się już pojawić większe dziury. Otóż zaczęliśmy drukować smołę w drukarkach 3D.

Drukowanie 3D to stosunkowo nowa technika wytwarzania i naprawiania obiektów. Tysiące lat temu w Chinach wynaleziono druk – za pomocą drewnianego klocka przenoszono tusz na kartkę. Reszta świata przejęła ten wynalazek i go ulepszyła, co zaowocowało powstaniem książek, gazet i czasopism – krótko mówiąc, rewolucją informacyjną. Ale mowa tu o druku w dwóch wymiarach. Druk 3D idzie o krok dalej. Zamiast nanosić cieniutkie warstewki cieczy na papier, pracująca w tej technologii drukarka nakłada kolejne jej warstwy na siebie i tak powstaje trójwymiarowy przedmiot.

Oczywiście do wydruku 3D nie stosuje się tuszu. Można użyć dowolnej cieczy zdolnej przeistoczyć się w ciało stałe. Spójrzmy na świat pszczół. Owady te w podobny sposób tworzą sześciokątne plastry miodu. Robotnice między dwunastym a dwudziestym dniem życia wykształcają specjalny gruczoł, który umożliwia przeobrażenie miodu w płatki miękkiego wosku. Przeżuwają go, a następnie nakładają warstwa po warstwie, formując sześciokątne komórki plastra. Na podobnej zasadzie swoje gniazda budują osy: przeżuwają włókna drzew i mieszając je ze śliną, tworzą domy dla larw.

Wynaleziona przez ludzi technologia druku 3D nadrabia dziś zaległości wobec metod stosowanych przez pszczoły i osy. Drukarka może na przykład wytryskiwać kolejne warstwy plastiku, tworząc lite obiekty o jeszcze bardziej skomplikowanej budowie niż plaster miodu, a nawet drukować przedmioty z ruchomymi częściami, co pozwala stosować tę technologię w medycynie do konstruowania niedrogich, wykonanych z jednego kawałka tworzywa protez o funkcjonalnych stawach. Drukuje się także materiały biologiczne. W 2018 roku chińscy naukowcy przeprowadzili pierwsze próby kliniczne na dzieciach urodzonych z deformacjami uszu. Wykorzystali wydrukowane „rusztowanie", w którym komórki własnej tkanki pacjentów rozrastały się, przybierając kształt małżowiny.

Drukować można także z metalu. Holenderska firma MX3D drukuje stalowe mosty, łącząc warstwy stopionej stali za pomocą technik spawalniczych. Drukowanie z metalu możliwe jest też przy użyciu mocnego lasera, który roztapia i łączy drobiny metalicznego proszku. W ten sposób powstaje cały wachlarz przedmiotów – od biżuterii po części silników odrzutowych. Ważną zaletą tej metody jest to, że dzięki niej można łatwo wytwarzać przedmioty puste w środku, co pozwala zaoszczędzić na wadze i ilości materiału. Coraz więcej obiektów projektuje się tak, by przez ich wewnętrzne rurki mogły płynąć chłodziwa, lubrykanty czy nawet paliwa. Projekty takie naśladują budowę organizmów – sami wszakże składamy się po części z materii stałej, po części z cieczy. Krew rozprowadza składniki odżywcze w naszych organizmach, płynąc w układzie krążenia. W ten sposób białka i inne potrzebne cząsteczki docierają do uszkodzonych narządów, takich jak skóra, mózg, wątroba, nerki czy serce, sprzyjając odbudowie zniszczonych komórek. Oto kolejna właściwość natury, którą możemy dziś naśladować dzięki drukowi 3D. Nasze obiekty techniczne będą się same naprawiać, dzięki czemu przetrwają dłużej, oszczędzając przyrodę.

Cena rozkoszy w kąpieli

Produktem ubocznym obiegu płynów w ludzkim organizmie jest oczywiście powstawanie nieczystości, których trzeba się pozbyć. Oddanie pewnej ilości cieczy stało się dla mnie najpilniejszą sprawą, gdy jechałem autobusem do hotelu w San Francisco. Bardzo chciało mi się sikać. Dreptałem w miejscu podczas rejestracji w recepcji, po czym pognałem w stronę pokoju. Prawie się zmoczyłem, przesuwając raz za razem kartę w czytniku, lecz w końcu udało mi się otworzyć drzwi. Uff, co za ulga!

Rozkosze domowej łazienki znacznie wykraczają poza zwykłą możliwość wysikania się, kiedy tylko zajdzie taka potrzeba. W łazience myjemy się, odświeżamy i pławimy w przyjemnościach. Jest to możliwe dzięki dostępowi do czystej bieżącej wody. Większość ludzi w krajach rozwiniętych uważa to za coś oczywistego, ponieważ infrastruktura wodno-kanalizacyjna pozostaje niewidoczna. Lecz ona istnieje – to ważna sieć miejska, której utrzymanie nawet w tak zasobnych w wodę miastach jak San Francisco generuje zaskakująco wysokie koszty. Kontrola przepływu ścieków oraz ich oczyszczanie, by mogły bezpiecznie wrócić do rzek i mórz, wymaga wielu urządzeń filtrujących, osadników i stacji uzdatniania, których działanie pochłania sporo pieniędzy i energii. W im większym stopniu pragniemy ograniczyć oddziaływanie ścieków na środowisko, tym wyższe musimy ponieść koszty i więcej wody przeznaczyć do rozcieńczenia materii opuszczającej oczyszczalnię. Oczyszczanie ścieków pochodzących z umywalek, pralek, pryszniców, wanien i toalet w mieście wielkości San Francisco nie jest więc wcale proste. Wodę pitną trzeba również uzdatniać, co wymaga kolejnych urządzeń filtrujących, pomp i stacji kontroli. Każdy taki cykl – od wody czystej do brudnej i z powrotem – pochłania energię i negatywnie oddziałuje na środowisko, ponieważ w jego trakcie powstają zanieczyszczenia.

W procesach wytwórczych także zużywa się ogromne ilości wody. Kupując większość towarów, zwiększacie swój „wodny ślad". Nawet jeśli bierzecie prysznic tylko dwa razy w tygodniu i używacie wodooszczędnej toalety, wasz wpływ na malejące zasoby wody i tak będzie spory. Szacuje się, że ślad wodny przeciętnego Amerykanina – spowodowany samą konsumpcją towarów jednorazowych, zwłaszcza papieru, mięsa i tekstyliów – wynosi 2206 litrów dziennie, gdyż produkcja tych dóbr pochłania wielkie ilości wody. Nawet pozornie zwyczajne czynności, takie jak jedzenie hamburgera, czytanie gazety czy kupowanie podkoszulka, znacznie zwiększają ślad wodny człowieka. Dlatego w mojej hotelowej łazience umieszczono naklejkę przypominającą, że woda jest cennym zasobem, oraz prośbę, bym nie domagał się codziennie świeżych ręczników.

W ciągu kilku następnych dekad liczba mieszkańców Ziemi ma przekroczyć 10 miliardów i przypuszcza się, że w wielu częściach świata będzie coraz trudniej o czystą wodę. Obecnie dostępu do niej nie ma miliard osób, a jednej trzeciej ludzkości dotykają jej okresowe braki. Bez czystej wody wzrasta ubóstwo, niedożywienie i ryzyko wybuchu epidemii. Należy podkreślić, że problem ten dotyka zarówno wielkich miast, jak i społeczności wiejskich. Na przykład w 2015 roku w brazylijskim Sao Paulo wystąpiły poważne niedobory wody wywołane ciągiem susz, które doprowadziły do opróżnienia głównego rezerwuaru. Ocenia się, że w najgorszym momencie kryzysu miasto zamieszkiwane przez 21,7 miliona ludzi dysponowało zapasami wody wystarczającymi na zaledwie 20 dni. Wiele innych megamiast na świecie mierzy się z podobnymi problemami, wywoływanymi przez niestabilność klimatu, wzrost liczby mieszkańców oraz związany z bogaceniem się wzrost średniego indywidualnego śladu wodnego.

W zrównoważonym zdrowym społeczeństwie polegamy nie tylko na wodzie, lecz także na innych cieczach. Niektóre mogą być zaskakujące: należy do nich na przykład ciekłe szkło. Spora część naszego pożywienia i napojów jest przechowywana i transportowana w szkle. Materiał ten znakomicie się do tego nadaje. Jest obojętny chemicznie i nie wchodzi w reakcję z zawartością słoika lub butelki, dzięki czemu produkty dłużej nadają się do spożycia. Ale szkło ma tendencję do pękania, a wówczas stłuczkę trzeba stopić do postaci cieczy, by wykonać z niej kolejne naczynie. Robi się tak od tysięcy lat – to obieg wtórnego wykorzystywania odpadów.

Szkło nie jest jednak idealnym materiałem opakowaniowym na żywność i napoje. Sporo waży, więc transportowanie go pochłania dużo energii. Z jego przetopem wiąże się podobny problem, ponieważ ma wysoką temperaturę topnienia. Z obu tych powodów w świecie zależnym w znacznej mierze od paliw kopalnych szklane pojemniki zwiększają problemy powodowane przez zmianę klimatu.