العالم الاقتصادي- محمد النجم

في ابتكار يجمع بين التكنولوجيا الحيوية والطباعة ثلاثية الأبعاد، يعمل فريق بحثي في المعهد الفدرالي السويسري للتكنولوجيا في زيورخ (ETH Zurich) على تطوير مادة بناء جديدة تعتمد على الرمل والبكتيريا الحية بدلاً من الإسمنت التقليدي، بما يفتح آفاقاً لتصنيع عناصر معمارية بطرق أقل استهلاكاً للطاقة وأكثر مرونة في التصميم.

ويقود هذا المسار البحثي الباحثة كارين أندريا أنتورفيزا بايز (Karen Andrea Antorveza Paez)، التي تجمع في عملها بين التصميم والتصنيع الرقمي والتكنولوجيا الحيوية، وتركز أبحاثها على توظيف الكائنات الحية الدقيقة في إنتاج مواد البناء، بالتعاون مع باحثين من مجموعات علمية متخصصة في المواد والهندسة المعمارية بالمعهد السويسري.

وتقوم الفكرة على استخدام بكتيريا قادرة على إنتاج مادة معدنية تعمل كعامل ربط بين حبيبات الرمل، لتتحول تدريجياً إلى كتلة صلبة يمكن تشكيلها وفق تصاميم هندسية مختلفة، من دون الاعتماد على عمليات الحرق ذات درجات الحرارة المرتفعة المستخدمة في تصنيع الإسمنت التقليدي.

كيف يتحول الرمل إلى مادة بناء صلبة؟

تعتمد التقنية على عملية علمية تعرف باسم «الترسيب الكلسي المستحث ميكروبياً» (MICP)، أو التمعدن الحيوي، وهي عملية تستخدم نشاط أنواع معينة من البكتيريا لإنتاج كربونات الكالسيوم، وهي المادة المعدنية الأساسية المكوّنة للحجر الجيري.

وفي إحدى طرق التصنيع التي طورها الفريق، يجري إعداد مزيج قابل للطباعة يتكون من الرمل والبكتيريا الحية، ضمن هلام مائي يحتوي على مواد طبيعية مثل الألجينات وصمغ الزانثان، وتضاف إليه مواد تساعد على ضبط خصائص المزيج ومنحه القوام المناسب لعمليات الطباعة ثلاثية الأبعاد.

وتُستخدم الطابعة لتشكيل هذا المزيج طبقة بعد أخرى، وفق تصميم هندسي محدد، بما يسمح بإنتاج عناصر معمارية ذات أشكال معقدة ومسامية متفاوتة، بدلاً من الاقتصار على القوالب التقليدية.

وبعد اكتمال الطباعة، يوضع العنصر الناتج في حمام يحتوي على محلول من اليوريا وكلوريد الكالسيوم، لتبدأ البكتيريا، ولا سيما نوع «Sporosarcina pasteurii»، بإفراز إنزيم اليورياز الذي يحفز تحلل اليوريا، وينتج عن التفاعل مركبات وأيونات تساعد على تكوين كربونات الكالسيوم.

وتترسب هذه المادة على هيئة بلورات معدنية دقيقة بين حبيبات الرمل، فتعمل بمثابة مادة رابطة طبيعية تشبه الغراء، وتدعم تماسك الهيكل وتحوله تدريجياً من حالة طرية قابلة للتشكيل إلى عنصر صلب. وتحدث عملية التصلب في درجة حرارة الغرفة، من دون الحاجة إلى أفران أو مصادر تسخين.

الطباعة والروبوتات تفتحان آفاقاً معمارية جديدة

ولا يقتصر البحث على الطباعة ثلاثية الأبعاد، إذ طور الفريق مساراً آخر يعتمد على الرش الروبوتي، حيث تستخدم ذراع آلية لتوزيع الرمل والبكتيريا والمواد اللازمة لعملية التمعدن على السطح، بصورة متتابعة وطبقة بعد أخرى، حتى يتشكل العنصر المعماري المطلوب.

ويختلف هذا الأسلوب عن الطباعة التقليدية في أنه لا يحتاج إلى غمر الهيكل في حمام معدني، بل يعتمد على تطبيق مكونات التفاعل مباشرة بواسطة الروبوت، بما يتيح بناء تشكيلات سطحية وهياكل معمارية تدريجية.

وقد عُرض هذا الأسلوب ضمن مشروع «التكوينات الميكروبية الجيولوجية» في بينالي البندقية للعمارة عام 2025، حيث عمل نظام الرش الروبوتي بصورة متواصلة على مدى ستة أشهر، في تجربة أتاحت متابعة تشكل المادة وتراكم طبقاتها أمام الزوار.

وتتيح هذه التقنيات، وفقاً للباحثين، إمكانات لتصنيع عناصر مثل الواجهات المعمارية، والجدران الفاصلة، ومكونات التظليل والحماية من أشعة الشمس، مع مرونة أكبر في التحكم بالأشكال والكثافة والمسامية، مقارنة ببعض أساليب البناء التقليدية.

بديل واعد.. لكن أمامه تحديات قبل الاستخدام الواسع

وتنبع أهمية هذا الابتكار من إمكانية تقليل الطاقة اللازمة لإنتاج مواد البناء، إذ تعتمد العملية على نشاط البكتيريا لتكوين المادة المعدنية في ظروف معتدلة، بدلاً من الحاجة إلى درجات حرارة تتجاوز ألف درجة مئوية في عمليات تصنيع الإسمنت التقليدي.

لكن التقنية لا تزال في مرحلة البحث والتطوير، ولا تمثل حتى الآن بديلاً جاهزاً للإسمنت والخرسانة في جميع الاستخدامات الإنشائية.

وتوضح الباحثة أن المادة الناتجة أقرب في خصائصها الحالية إلى الملاط المستخدم في البناء منها إلى الخرسانة الإنشائية، فيما لا تزال قدرتها على تحمل الأحمال الكبيرة والمتانة على المدى الطويل بحاجة إلى مزيد من الاختبارات والتطوير.

كما تواجه العملية تحدياً بيئياً يتعلق بالنواتج الثانوية للتفاعل البكتيري، ولا سيما الأمونيوم الناتج عن تحلل اليوريا، والذي يتطلب معالجة مناسبة قبل اعتماد التقنية على نطاق واسع، حتى لا تتحول الفوائد البيئية المتوقعة إلى أعباء إضافية على البيئة.

ونشر الفريق البحثي خلال عام 2026 دراسات علمية تناولت تطوير الطباعة ثلاثية الأبعاد بالأسمنت الحيوي، وتوسيع نطاق إنتاج الهياكل المعدنية الحية، إلى جانب تقنيات الرش الروبوتي، في خطوة تعكس انتقال الأبحاث من النماذج التجريبية الصغيرة إلى اختبار تطبيقات معمارية أكبر.

وبينما لا تزال هناك تحديات تتعلق بالقوة الميكانيكية والاستدامة وإمكانية التصنيع على نطاق واسع، يقدم هذا الابتكار نموذجاً جديداً لمستقبل مواد البناء، يقوم على الاستفادة من العمليات البيولوجية والطباعة الرقمية، وتحويل الكائنات الدقيقة من عناصر في الطبيعة إلى شركاء في إنتاج الهياكل المعمارية.

المصدر: موقع المعهد الفدرالي السويسري للتكنولوجيا