ساخت بتن با مدفوع انسان؛ چقدر قوی تر است؟!

فرارو- بتن، به معنای واقعی کلمه، پایه و اساس دنیای مدرن است. 

به گزارش فرارو به نقل از ساینس آلرت، تقریباً هر پروژه ساختمانی در جهان به نوعی از این ماده استفاده می‌کند. فقط یک مشکل وجود دارد و آن هم مشکل بزرگی است: ساخت یکی از مواد اصلی آن سیمان به طرز وحشتناکی برای محیط زیست مضر است. 

عمل گرم کردن و فرآوری سنگ آهک برای ساخت سیمان یکی از منابع اصلی انتشار دی اکسید کربن در جهان است - بنابراین، قابل درک است که دانشمندان به دنبال راه‌هایی برای کاهش این مشکل بوده‌اند. 

و محققانی به رهبری مهندس عمران راگووش تیواری از دانشگاه مانیپال جایپور در هند ممکن است به تازگی به یک راه حل هوشمندانه دست یافته باشند که با یک تیر دو نشان زیست محیطی را می‌زند. 

آن‌ها در مقاله‌ای که برای انتشار در Scientific Reports پذیرفته شده است، می‌نویسند: با مخلوط کردن بیوچار ساخته شده از دوغاب مدفوع انسان که در تصفیه‌خانه‌های لجن مدفوع فرآوری می‌شود، بتن آن‌ها «بهبودهای قابل توجهی در خواص بتن ایجاد می‌کند». 

کاربرد فوق‌العاده بتن مرهون ترکیبی از ویژگی‌های آن است. این ماده در حالت خیس، شکل‌پذیر است و می‌توان آن را تقریباً به هر شکلی قالب‌گیری کرد؛ با این حال، پس از سخت شدن به ماده‌ای تبدیل می‌شود که هم آن‌قدر مستحکم است که بارهای بسیار سنگین را تحمل کند و هم آن‌قدر بادوام که برای چندین دهه (یا حتی هزاره‌ها) باقی بماند. 

این ماده معمولاً از چند جزء با مقادیر مشخص تشکیل شده است: شن، ماسه، آب و خودِ سیمان که عمدتاً از سنگ آهک ساخته می‌شود. 

متأسفانه، ترکیب این مواد بسیار حساس است؛ تغییر در توازن آن‌ها یا جایگزینی بخشی از سیمان با ماده‌ای دیگر می‌تواند بتنی تولید کند که استحکام یا دوام نمونه‌ی اصلی و باکیفیت را ندارد. اگر بتن عملاً زیر فشار ترک بخورد، به عنوان مصالح ساختمانی کارایی چندانی نخواهد داشت. 

یکی از جایگزین‌های سیمان که روزبه‌روز نویدبخش‌تر به نظر می‌رسد، «بیوچار» (biochar) است؛ ماده‌ای غنی از کربن که از حرارت دادن مواد آلی در محیطی با اکسیژن کم به دست می‌آید. 

مزیت بزرگ بیوچار این است که می‌توان آن را از انواع مختلفی از مواد آلی تولید کرد. 

از سوی دیگر، انسان‌ها حجم بسیار زیادی از مواد آلی تولید می‌کنند؛ رقمی در حدود ۴۰۰ گرم مدفوع برای هر نفر در روز. شاید این مقدار در سطح فردی ناچیز به نظر برسد، اما وقتی پای میلیون‌ها نفر در میان باشد، کارایی سیستم‌های فاضلاب ما واقعاً شگفت‌انگیز است. 

به هر حال، آن حجم عظیمِ روزانه‌ی مدفوع باید جایی تخلیه شود؛ و درست همین‌جاست که قطعات این پازل به هم پیوند می‌خورند. 

در هند، تأسیساتی برای تصفیه و مدیریت ایمن فضولات انسانی (لجن مدفوع) ایجاد شده است. این فضولات را می‌توان طی فرآیند «پیرولیز» به بیوچار تبدیل کرد. بنابراین، پژوهشگران با خود اندیشیدند: اگر خاک‌اره، چوب، پوسته برنج و سایر انواع بیوچار در ساخت بتن مؤثر هستند، چرا از مدفوع استفاده نکنیم؟ 

برای آزمودن این ایده، «تیواری» و همکارانش بیوچارِ حاصل از لجن مدفوع را از یک تصفیه‌خانه در شهر «وارانگال» هند تهیه کردند. 

برای تولید بیوچار، ابتدا لجن مدفوع خشک می‌شود و سپس در محیطی با اکسیژن کم و در دمایی بین ۳۵۰ تا ۴۵۰ درجه سانتی‌گراد (۶۶۲ تا ۸۴۲ درجه فارنهایت) حرارت می‌بیند. در نهایت، بیوچارِ حاصل آسیاب و الک شده و به پودری نرم تبدیل می‌شود. 

پژوهشگران از این پودر برای جایگزینی مقادیر مختلفی از سیمان (۵.۱۰ و ۱۵ درصد) در بتن‌های معمولی استفاده کردند و سپس بتنِ حاصل (که اصطلاحاً «پوپ‌کریت» یا بتنِ مدفوعی نامیده می‌شود) را تحت مجموعه‌ای از آزمایش‌ها قرار دادند تا میزان مقاومت و دوام آن را بسنجند. 

و نکته شگفت‌انگیز اینکه، مقدار کمی فضولات باعث بهبود کیفیت بتن شد. 

پژوهشگران میزان انقباض، مقاومت فشاری، مقاومت خمشی، جذب آب و تخلخلِ مخلوط‌های مختلف خود را اندازه‌گیری کردند و درست در همین مرحله بود که نتایج واقعاً جالب توجه شد. 

در مجموع، قوی‌ترین بتن زمانی به دست آمد که ۵ درصد از سیمان با بیوچارِ حاصل از فضولات جایگزین شده بود. 

اما «پوپ‌کریت» (بتنِ ساخته‌شده با فضولات) ویژگی جالب دیگری هم داشت: این ماده در حین فرآیند عمل‌آوری، همچنان به افزایش قابل‌توجهِ استحکام خود ادامه می‌داد. پژوهشگران گزارش می‌دهند که پس از ۹۱ روز، در نمونه‌ای با ۵ درصد جایگزینی، میانگین افزایش ۲۰ درصدی در مقاومت فشاری و ۳۶ درصدی در مقاومت خمشی ثبت شد. 

در حالت جایگزینی ۱۰ درصدی سیمان، این میزان افزایش حتی بیشتر بود: ۲۱ درصد برای مقاومت فشاری و رقم چشمگیر ۴۲ درصد برای مقاومت خمشی. 

به نظر نمی‌رسید که «پوپ‌کریت» (بتنِ ساخته‌شده با فضولات) برای دستیابی به آن میزان استحکام، در سایر ویژگی‌های مورد آزمایشِ تیم، دچار افت کیفیت شده باشد. 

در غلظت ۵ درصد، این ماده به‌طور کلی آب کمتری جذب می‌کرد و تخلخل کمتری نسبت به بتن معمولی داشت؛ ضمن اینکه میزان جمع‌شدگی آن هنگام خشک شدن نیز کمتر بود. در غلظت ۱۰ درصد، عملکرد آن همچنان تا حد زیادی با بتن معمولی قابل‌مقایسه بود. 

اما مگر همیشه همین‌طور نیست؟ چیزی به نام «زیاده‌روی در مصرف فضولات» هم وجود دارد. 

با جایگزینی ۱۵ درصدی سیمان، بتن همچنان در حین عمل‌آوری قوی‌تر شد، اما مقاومت کلی آن از نسخه‌های ۵ و ۱۰ درصدی عقب ماند. 

پس چرا افزودن کمی مدفوع، بتن را قوی‌تر می‌کند؟ 

محققان فکر می‌کنند چندین اثر با هم عمل می‌کنند. اولاً، بیوچار مدفوع بسیار متخلخل است و پر از حفره‌های ریز است که می‌تواند آب را جذب کند و به تدریج با عمل‌آوری بتن آن را آزاد کند. 

این امر به طور مؤثر ذرات بیوچار را به مخازن داخلی ریز تبدیل می‌کند و آب را برای واکنش‌های شیمیایی که سیمان را سخت و تقویت می‌کنند، در دسترس نگه می‌دارد. 

بیوچار سرشار از سیلیس است؛ ماده‌ای که می‌تواند با ترکیبات حاصل از فرآیند گیرش سیمان واکنش داده و مقادیر بیشتری از سیلیکات‌های کلسیم تولید کند؛ ترکیباتی که عامل اصلی استحکام بتن هستند. 

به عبارت دیگر، این ماده خاصیت پوزولانی دارد؛ یعنی همان نوع واکنش شیمیایی که در بتن‌های مشهور روم باستان نیز به کار می‌رفت، با این تفاوت که در اینجا به جای مواد آتشفشانیِ مورد استفاده رومی‌ها، از فضولات انسانی استفاده شده است. 

در نهایت، ذرات ریز بیوچار می‌توانند فضاهای خالی درون بتن را پر کرده و نحوه قرارگیری و پیوند اجزای آن را بهبود بخشند. 

پژوهشگران عملاً توانستند این نتیجه را زیر میکروسکوپ مشاهده کنند؛ بتن حاوی ۵ درصد بیوچار، ساختاری متراکم‌تر و با پیوندهای قوی‌تر نسبت به بتن معمولی داشت. 

اما با رسیدن میزان بیوچار به ۱۵ درصد، این ساختار رو به تضعیف گذاشت و شاهد افزایش تخلخل، ترک‌خوردگی و ایجاد نواحی با پیوند ضعیف بودیم. 

البته قرار نیست همین فردا دست‌به‌کار شویم و با «بتنِ ساخته‌شده از مدفوع» (poopcrete) آسمان‌خراش بسازیم. پژوهشگران خاطرنشان می‌کنند که برای ارزیابی عملکرد این ماده در شرایط واقعی نظیر چرخه‌های انجماد و ذوب، شوری و دماهای بسیار بالا یا پایین به تحقیقات بیشتری نیاز است. 

مسئله‌ی تجمع فلزات سنگین نیز مطرح است؛ مشکلی که در مورد لجن فاضلاب شناخته‌شده است. حبس کردن فلزات سنگینِ بالقوه مضر درون بتن می‌تواند یک مزیت باشد، اما هنوز مشخص نیست که این مواد تا چه حد پایدار می‌مانند و آیا ممکن است به‌مرور زمان به بیرون نشت کنند یا خیر. 

این پژوهش همچنین تأثیر روش مذکور بر انتشار کربن را ارزیابی نکرده است. 

با این حال، جایگزینی حتی بخشی از سیمانِ بتن با ماده‌ای که از یک جریانِ پسماندِ انسانی (با حجم تولیدیِ بی‌پایان) به دست می‌آید، می‌تواند به‌طور بالقوه دو مشکل را هم‌زمان حل کند. 

و اگر یک چیز وجود داشته باشد که می‌توانیم روی تولید مداوم و انبوه آن توسط انسان‌ها حساب کنیم، آن قطعاً مدفوع است. 

این پژوهش برای انتشار در نشریه «ساینتیفیک ریپورتس» (Scientific Reports) پذیرفته شده است.