В стремлении построить лучшее будущее некоторые ищут ответы в далеком прошлом. Древние строители по всему миру создавали сооружения, которые стоят до сих пор, тысячи лет спустя: от римских инженеров, заливавших толстые бетонные морские преграды, до каменщиков майя, создававших гипсовые скульптуры своим богам, до китайских строителей, возводивших стены против захватчиков. Тем не менее, у десятков более поздних построек уже истекают сроки годности: бетон, из которого состоит большая часть нашего современного мира, имеет срок службы от 50 до 100 лет. Все большее число учёных изучает материалы давних эпох — откалывая куски зданий, изучая исторические тексты, смешивая подражательные рецепты — в надежде выяснить, как они сохранились на протяжении тысячелетий. В результате реверс-инжиниринга был обнаружен удивительный список ингредиентов, которые использовались в старых зданиях: такие материалы, как древесная кора, вулканический пепел, рис, пиво и даже моча. Эти неожиданные надстройки могут стать ключом к некоторым довольно впечатляющим свойствам, таким как способность становиться сильнее с течением времени и «заживлять» трещины, когда они образуются.
Выяснение того, как скопировать эти особенности, может иметь реальные последствия сегодня: хотя наш современный бетон обладает прочностью, чтобы выдерживать огромные небоскребы и тяжелую инфраструктуру, он не может конкурировать с долговечностью этих древних материалов. А в условиях растущей угрозы изменения климата растет призыв сделать строительство более устойчивым. По оценкам недавнего отчета ООН, на антропогенную среду приходится более трети глобальных выбросов CO2, а только производство цемента составляет более 7% этих выбросов. «Если вы улучшите свойства материала, используя… традиционные рецепты народа майя или древних китайцев, вы сможете производить материал, который можно будет использовать в современном строительстве гораздо более экологичным способом», — сказал Карлос Родригес-Наварро, специалист по культурному наследию, научный сотрудник Университета Гранады в Испании.
Многие исследователи обращались за вдохновением к римлянам. Начиная примерно с 200 г. до н. э., архитекторы Римской империи строили впечатляющие бетонные конструкции, выдержавшие испытание временем — от высокого купола Пантеона до прочных акведуков, которые до сих пор несут воду. Даже в гаванях, где морская вода веками разрушала конструкции, вы найдете бетон «практически таким, каким он был, когда его заливали 2000 лет назад», — сказал Джон Олесон, археолог из Университета Виктории в Канаде. Большинство современных бетонов состоят из портландцемента — порошка, полученного путем нагревания известняка и глины до сверхвысоких температур и их измельчения. Этот цемент смешивают с водой, образуя химически активную пасту. Затем добавляются куски материала, такого как камень и гравий, и цементное тесто связывает их в бетонную массу. Согласно записям древних архитекторов, таких как Витрувий, римский процесс был аналогичным. Древние строители смешивали такие материалы, как обожженный известняк и вулканический песок, с водой и гравием, создавая химические реакции, связывающие все воедино.
Теперь ученые полагают, что они нашли ключевую причину, по которой римский бетон удерживает конструкции на протяжении тысячелетий: древний материал обладает необычной способностью самовосстанавливаться. Как именно, пока не ясно, но ученые начинают находить подсказки. В исследовании, опубликованном ранее в этом году, Адмир Масик, инженер-строитель и инженер-эколог из Массачусетского технологического института, предположил, что эта сила исходит от кусков извести, которые пронизаны римским материалом, а не смешаны равномерно. Раньше исследователи считали, что эти куски были признаком того, что римляне недостаточно хорошо перемешивали материалы. Вместо этого, проанализировав образцы бетона из Привернума — древнего города за пределами Рима — ученые обнаружили, что куски могут способствовать «самовосстановлению» материала. По словам Масика, когда образуются трещины, вода может просачиваться в бетон. Эта вода активирует остатки извести, вызывая новые химические реакции, которые могут заполнить поврежденные участки.
Мэри Джексон, геолог из Университета Юты, придерживается иного мнения. Ее исследования показали, что ключ может заключаться в конкретных вулканических материалах, которые использовали римляне. Строители собирали вулканические породы, оставшиеся после извержений, и смешивали их с бетоном. По словам Джексона, этот естественно реактивный материал со временем меняется по мере взаимодействия с элементами, что позволяет ему закрывать образующиеся трещины. Способность продолжать адаптироваться с течением времени «действительно является гениальностью материала», сказал Джексон. «Бетон был настолько хорошо спроектирован, что он выдерживает себя». В Копане, месте майя в Гондурасе, сложные скульптуры и храмы из известняка остаются нетронутыми даже после более чем 1000 лет воздействия жаркой и влажной среды. Согласно исследованию, опубликованному ранее в этом году, секрет долговечности этих структур может заключаться в деревьях, которые прорастают среди них. У исследователей была живая связь с создателями сооружений: они встретились с местными каменщиками в Гондурасе, которые проследили свою родословную вплоть до строителей майя, объяснил Родригес-Наварро, работавший над исследованием.
Каменщики предложили использовать в известковой смеси экстракты местных деревьев чукум и джиоте. Когда исследователи опробовали рецепт — собирали кору, помещали куски в воду и добавляли полученный древесный «сок» в материал — они обнаружили, что полученная штукатурка особенно устойчива к физическим и химическим повреждениям. Когда ученые увеличили масштаб изображения, они увидели, что кусочки органического материала из сока деревьев включились в молекулярную структуру гипса. Таким образом, штукатурка майя смогла имитировать прочные природные структуры, такие как морские ракушки и шипы морских ежей, и позаимствовать часть их прочности, сказал Родригес-Наварро. Исследования обнаружили, что в древние структуры были смешаны всевозможные природные материалы: фруктовые экстракты, молоко, сырный творог, пиво и даже навоз и моча. Раствор, скрепляющий некоторые из самых известных сооружений Китая, в том числе Великую стену и Запретный город, содержит следы крахмала из клейкого риса.
Некоторым из этих древних строителей, возможно, просто повезло, говорит Сесилия Пеше, ученый-материаловед из Университета Шеффилда в Англии. Они добавляли в свои миксы что угодно, лишь бы это было дешево и доступно, а те, что не сработали, уже давно развалились. «Они строили самые разные вещи», — сказал Пеше. «И теперь у нас есть только те здания, которые уцелели. Так что это похоже на процесс естественного отбора». Но некоторые материалы, кажется, демонстрируют большее намерение — как, например, в Индии, где строители создавали смеси местных материалов для получения различных свойств, говорит Тирумалини Селварадж, инженер-строитель и профессор индийского Технологического института Веллора. Согласно исследованию Сельвараджа, во влажных районах Индии строители использовали местные травы, которые помогают конструкциям справляться с влагой. Вдоль побережья они добавили неочищенный сахар, нерафинированный сахар, который помогает защитить от вредного воздействия соли. А в районах с более высоким риском землетрясений они использовали сверхлегкие «плавающие кирпичи», сделанные из рисовой шелухи.
«Они знают регион, состояние почвы, климат», — сказал Сельварадж. «Итак, они создают материал в соответствии с этим». Сегодняшние строители не могут просто копировать древние рецепты. Несмотря на то, что римский бетон прослужил долгое время, он не мог выдерживать большие нагрузки: «Невозможно построить современный небоскреб из римского бетона», — сказал Олесон. «Он рухнет, когда вы доберетесь до третьего этажа». Вместо этого исследователи пытаются взять некоторые особенности древнего материала и добавить их в современные смеси. Масик является частью стартапа, который пытается строить новые проекты с использованием «самовосстанавливающегося» бетона, вдохновленного римскими традициями. А Джексон работает с Инженерным корпусом армии над проектированием бетонных конструкций, которые могут хорошо выдерживать морскую воду (например, в римских портах), чтобы помочь защитить береговые линии от повышения уровня моря. Нам не нужно, чтобы все длилось так долго, как это делали римляне, чтобы оказать влияние, сказал Масич. Если мы добавим 50 или 100 лет к сроку службы бетона, «в долгосрочной перспективе нам потребуется меньше сносов, меньше обслуживания и меньше материалов».
