Асфальт из микроволновки

Современная наука дала вторую жизнь алхимии, пишет the CityLab. В средние века ученые искали философский камень, чтобы превратить металл в золото. Теперь у них новая задача: они создают новое поколение металлов, полимеров и других материалов, которые обладают необычными свойствами и характеристиками.

Они изучают, как человеческое тело лечит само себя. Эти процессы они хотят воспроизвести при создании металлов, цемента и асфальта. Если опыты окажутся удачными, то дорожное покрытие будет само залечивать ямки, а бетонные дома – трещины.

Новые материалы могут изменить дороги и здания, помогут сэкономить на ремонте автомобилей и инфраструктуры.  

Ремонт асфальта с помощью микроволновки

Практически во всех странах мира возникает одна и та же проблема: на скоростных дорогах, пригородных трассах и городских улицах постоянно возникают трещины, ямки и различные выбоины. Властям приходится тратить деньги на ремонт дорог, мостов и других инфраструктурных объектов. По оценкам Американского общества Гражданских Инженеров, из федерального бюджета ежегодно на починку дорог, мостов и прочей инфраструктуры в США уходит $129 миллиардов. В Москве на трёхлетний план по ремонту дорог было выделено 53,8 миллиардов рублей. 

Ямы на дорогах также приводят к поломкам автомобилей. Средний американец в год тратит в автомастерской $377. В Москве весной в период таяния снега на дорогах начинается настоящая эпидемия пробитых колес: после холодов дорожное покрытие покрывается выбоинами.

Проблему можно решить с помощью асфальта, который восстановливает сам себя. Именно такую технологию предложил голландский инженер и специалист по микромеханике Эрик Шланген. Он добавил металлическую стружку в обычный асфальт. В итоге, получилось дорожное покрытие, которое лечит само себя «с минимальной помощью извне».

На сайте TED можно посмотреть видео, на котором Шланген демонстрирует свое изобретение. Он разрубает асфальтовый блок пополам, потом по ходу своего рассказа прикладывает эти две половинки близко друг к другу и помещает их в обычную микроволновку. Индукция «исцеляет асфальт»: микроволновка нагревает стальную стружку, она плавится и склеивает битум. После того как асфальт остынет, то кусок вновь станет целым.

Вопрос, как применить опыт на практике. Нельзя заставить города обзавестись гигантскими микроволновками. Лаборатория Шлангена нашла решение этой проблемы. Они изобрели специальную машину, которая будет двигаться вдоль дорожного полотна и слать импульсы металлическим частицам в асфальте. Чтобы залечить имеющиеся трещины и предотвратить появление новых, такие рейды нужно предпринимать не чаще, чем раз в квартал. Это увеличит срок эксплуатации дороги почти вдвое.

Проект Шлангена частично финансируют голландские власти. По их оценкам, новая технология позволит стране экономить до €90 млн в год. Сейчас асфальт проходит испытания: он положен на пяти полосах на дорогах Голландии.

Бактерии вылечат трещины в бетоне

Бетон стал одним из самых распространенных строительных материалов в мире: из него строятся дома, мосты и другие сооружения. Кажется, он стал символом надежности: не плавится, не горит и прост в изготовлении.

Но бетон не так прочен, как кажется. Главный его враг - вода. Она попадает в трещины в бетоне, заполняет их и постепенно вымывает материал. В некоторых случаях она играет роль своеобразного пластыря, скрепляя материал. Но чаще она приводит к разрушениям. От воды ржавеют металлическая арматура железо-бетонных конструкций. На химическую структуру бетона плохо влияют хлориды, которые попадают на него вместе с противогололедными реагентами. 

Ученые давно пытаются создать стойкий к воде бетон. Они нашли решение в органическом мире: бетон более прочным сделают споры. Производители бетона добавляют в свою смесь споры бактерий, которые находятся в крошечных водопроницаемых капсулах. Дальше из этих материалов строится здание. Споры остаются неактивными до тех пор, пока материал не начнет трескаться и туда не попадет вода. Как только вода проникнет в капсулы, споры оживут, они начнут расти и двигаться. При этом они будут производить кальцит, который станет своего рода био-цементом. 

Эту технологию разрабатывают сразу несколько мировых исследовательских центров, например, в Университете Иллинойса или в Гентском Университете. Изучением этих технологий занят и Шланген. 

Однако споры – это не единственная технология, которая может заставить бетон лечиться самостоятельно. Например, ученые разрабатывают волокна, которые сжимаются при проникновении воды и стягивают бетон. Другая разработка – сосудистая структура бетона, которая сможет транспортировать клейкое вещество  в любые участки материала.

У этих технологий большой потенциал: такие материалы помогут продлить жизнь зданиям и инфраструктуре, а также сэкономить деньги бюджету. В Гентском университете подсчитали, что ЕС сможет экономить примерно €120 млрд в год на ремонте, если подобные технологии будут использоваться при строительстве инфраструктуры. Это поможет снизить вредные выбросы в атмосферу. На производство цемента приходится примерно 5% выбросов в атмосферу углекислого газа.

Металлы под давлением лечат сами себя

В прошлом году эксперты Массачусетского  технологического университета получили неожиданные результаты: под давлением, например, если металл попытаться разделить на части, возникает противоположный эффект и трещины исчезают.

Ученые-инженер Майкл Демкович с коллегами изучали разломы на границе частиц никеля. Любой металл или сплав состоит из мелких частиц, кристаллов. У команды был сломанный кусок никеля, который они пытались разделить еще раз. Но давление имело противоположный эффект: частицы становились ближе и границы разломов срастались.

Ученые сначала подумали, что это ошибка. Но затем их эксперименты подтвердились: при определенной силе воздействия разломы сокращались. Это связано с разнонаправленным давлением, которое оказывается на частицы внутри металла.

Открытие сделано совсем недавно и еще не получило практического применения. Тем не менее, если эта технология будет применяться, то она поможет «вылечить» небольшие трещины в металле, пока они не разрослись.  

В результате применения этой технологии металлы будут портиться медленнее. Это значит, что может будет резко продлить срок службы автомобилей, самолетов, вагонов метро, здания станут более устойчивыми к землетрясениям.