सार:
ज्यूरिख में स्विस फेडरल इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी के शोधकर्ताओं ने एक नई निर्माण सामग्री निर्माण तकनीक विकसित की है जो ढीले रेत के कणों को मजबूत भवन घटकों में संयोजित करने के लिए जीवित बैक्टीरिया का उपयोग करती है। पारंपरिक सीमेंट उत्पादन के विपरीत, जिसमें बहुत अधिक ऊर्जा की खपत होती है और इसे उच्च तापमान पर पकाया जाता है, बायोसीमेंटेशन नामक यह तकनीक, कमरे के तापमान पर खनिज जमने को पूरा कर सकती है और निर्माण उद्योग के लिए अधिक पर्यावरण के अनुकूल सामग्री विनिर्माण समाधान प्रदान करने की उम्मीद है।
आधुनिक निर्माण उद्योग में सीमेंट सबसे महत्वपूर्ण बुनियादी सामग्रियों में से एक है, लेकिन पारंपरिक पोर्टलैंड सीमेंट के उत्पादन के लिए कच्चे माल को उच्च तापमान पर गर्म करने, बहुत अधिक ऊर्जा की खपत करने और काफी कार्बन डाइऑक्साइड उत्सर्जन करने की आवश्यकता होती है। इसलिए, वैकल्पिक सामग्री ढूंढना जो ऊर्जा की खपत और कार्बन उत्सर्जन को कम कर सके, निर्माण सामग्री अनुसंधान के क्षेत्र में हमेशा एक महत्वपूर्ण दिशा रही है। इस शोध का मुख्य विचार पारंपरिक सीमेंट फायरिंग प्रक्रिया को नया स्वरूप देना नहीं है, बल्कि रेत के दानों के बीच प्राकृतिक खनिज बनाने और मूल रूप से ढीले कणों को एक निश्चित ताकत के साथ संयोजित करने के लिए सूक्ष्मजीवों की चयापचय गतिविधियों का उपयोग करना है।
अनुसंधान दल द्वारा उपयोग किए गए जीवाणु को स्पोरोसारसीना पेस्टुरी कहा जाता है। सही परिस्थितियों में, यह जीवाणु कैल्शियम कार्बोनेट के निर्माण को बढ़ावा दे सकता है। कैल्शियम कार्बोनेट व्यापक रूप से चूना पत्थर, चाक और सीपियों जैसी प्राकृतिक सामग्रियों में पाया जाता है। जब यह अवक्षेपित होता है और रेत के कणों के बीच छोटे क्रिस्टल बनाता है, तो यह एक खनिज बांधने की मशीन के रूप में कार्य करता है, रेत के दानों को एक साथ जोड़कर एक निश्चित ताकत के साथ एक ठोस पदार्थ बनाता है।
इस प्रक्रिया को माइक्रोबियली प्रेरित कैल्शियम कार्बोनेट वर्षा या एमआईसीपी कहा जाता है, और इसे बायोसीमेंटेशन तकनीक के रूप में भी जाना जाता है। पहले, शोधकर्ताओं ने इसे मिट्टी सुदृढीकरण, नींव स्थिरीकरण और कंक्रीट दरार की मरम्मत जैसे क्षेत्रों में उपयोग करने का प्रयास किया है। इस ईटीएच ज्यूरिख शोध के बारे में जो बात अलग है वह यह है कि यह मौजूदा सामग्रियों के गुणों में सुधार करने के लिए केवल बैक्टीरिया का उपयोग करने के बजाय रेत को सीधे स्वतंत्र निर्माण सामग्री में संसाधित करने का प्रयास करता है।
करेन एंटोरवेज़ा पेज़ के नेतृत्व में अनुसंधान टीम ने दो विनिर्माण विधियों का प्रस्ताव रखा। पहली विधि बायोसीमेंटेशन तकनीक को 3डी प्रिंटिंग के साथ जोड़ती है। शोधकर्ताओं ने एक विशेष बायोइंक विकसित किया है जिसमें पानी, रेत, जीवित बैक्टीरिया और संबंधित रासायनिक तत्व शामिल हैं। मिश्रण में जेल जैसी स्थिरता होती है और इसे संरचनात्मक रूप से जटिल भवन घटकों को बनाने के लिए 3 डी प्रिंटिंग उपकरण का उपयोग करके पूर्व निर्धारित आकार में ढाला जा सकता है।
मुद्रण के बाद, घटकों को लगभग तीन दिनों तक यूरिया और कैल्शियम क्लोराइड युक्त घोल में डुबोया जाना चाहिए। इस प्रक्रिया के दौरान, बैक्टीरिया खनिज क्रिस्टल के निर्माण को बढ़ावा देते हैं, जो धीरे-धीरे रेत के कणों को जोड़ते हैं। इसके बाद, बिल्डिंग ब्लॉक्स को कमरे के तापमान पर लगभग दो दिनों तक सुखाया जाता है, बैक्टीरिया सक्रिय नहीं रहते हैं और अंततः एक ठोस संरचना बन जाती है। मुद्रण से लेकर पूर्ण इलाज तक की पूरी प्रक्रिया में लगभग पांच दिन लगते हैं और पारंपरिक उच्च तापमान फायरिंग उपकरण के उपयोग की आवश्यकता नहीं होती है।
शोधकर्ताओं ने इस प्रक्रिया की तुलना केक को पकाने से की: शुरू में बनी सामग्री नरम और आसानी से विकृत रहती है, जिससे एक मजबूत संरचना प्राप्त करने के लिए बाद के प्रसंस्करण की आवश्यकता होती है। अंतर यह है कि पारंपरिक बेकिंग पूरी तरह से ठीक होने के लिए गर्मी पर निर्भर करती है, जबकि यह तकनीक खनिज उत्पादन को बढ़ावा देने और कमरे के तापमान पर समान परिवर्तन को पूरा करने के लिए बैक्टीरिया पर निर्भर करती है।
दूसरी विधि रोबोटिक छिड़काव तकनीक का उपयोग करती है। रोबोटिक भुजा खनिजीकरण के लिए आवश्यक रेत, बैक्टीरिया और सामग्रियों को क्रम से लक्ष्य सतह पर छिड़कती है, जिससे बार-बार सुपरपोजिशन के माध्यम से एक बहु-परत संरचना बनती है। जैसे ही कैल्शियम कार्बोनेट बनता है, रेत की परतें मिलकर एक ठोस सतह या भवन घटक बनाती हैं। अनुसंधान टीम ने सिस्टम को छह महीने तक लगातार चलाया है, जिससे काम को स्वचालित करने और चल रहे मानवीय हस्तक्षेप पर निर्भरता कम करने की क्षमता प्रदर्शित हुई है।
दोनों विधियों के अपने-अपने लागू परिदृश्य हैं। जटिल आकृतियों और विशिष्ट ज्यामिति वाले भवन भागों के निर्माण के लिए 3डी प्रिंटिंग अधिक उपयुक्त है, जबकि सतह पर परत दर परत निर्माण सामग्री का रोबोटिक छिड़काव अधिक उपयुक्त है। अनुसंधान टीम ने इस तकनीक का उपयोग भवन के मुखौटे घटकों को बनाने के लिए किया है, जिनका भविष्य में छायांकन सुविधाओं और विभाजन दीवारों जैसे निर्माण घटकों में उपयोग किए जाने की उम्मीद है।
हालाँकि, यह तकनीक अभी भी बड़े पैमाने पर व्यावसायिक अनुप्रयोग से दूर है। एक महत्वपूर्ण मुद्दा विनिर्माण प्रक्रिया से उप-उत्पाद है। 3डी प्रिंटिंग विधियों में उपयोग किए जाने वाले खनिजयुक्त समाधान अमोनियम-आधारित पदार्थों का उत्पादन करते हैं जो अगर ठीक से न संभाले जाएं तो पर्यावरण के लिए हानिकारक हो सकते हैं। शोधकर्ताओं को उत्पादन को और अधिक बढ़ाने के लिए प्रभावी रीसाइक्लिंग या न्यूट्रलाइजेशन तरीकों को खोजने की आवश्यकता है, अन्यथा इस सामग्री के पर्यावरणीय लाभ सीमित हो सकते हैं।
भौतिक शक्ति भी एक प्रमुख मुद्दा है जिसे हल करने की आवश्यकता है। वर्तमान में, शोध टीम का मानना है कि इस प्रकार का बायोसीमेंट एक संरचनात्मक सामग्री की तुलना में मोर्टार के करीब है जो सीधे लोड-असर कंक्रीट को प्रतिस्थापित कर सकता है। मोर्टार का उपयोग मुख्य रूप से ईंटों को जोड़ने और जोड़ों को भरने के लिए किया जाता है, जबकि कंक्रीट का उपयोग व्यापक रूप से फर्श, स्तंभ और नींव जैसी लोड-असर संरचनाओं में किया जाता है। निर्माण परियोजनाओं की एक विस्तृत श्रृंखला में बायोसीमेंट का उपयोग करने के लिए, विभिन्न पर्यावरणीय परिस्थितियों में इसके यांत्रिक गुणों, दीर्घकालिक स्थायित्व और स्थिरता के और सत्यापन की आवश्यकता है।
इसके अतिरिक्त, रेत के दानों का आकार और दानों को व्यवस्थित करने का तरीका अंतिम सामग्री के गुणों को प्रभावित करता है। शोधकर्ता अभी भी यह पता लगा रहे हैं कि कच्चे माल और विनिर्माण मापदंडों को समायोजित करके अधिक स्थिर ताकत और संरचनात्मक गुण कैसे प्राप्त किए जाएं। इसका मतलब यह है कि भविष्य के शोध में न केवल बैक्टीरिया से प्रेरित खनिजकरण की प्रक्रिया में सुधार करना होगा, बल्कि विभिन्न निर्माण उपयोगों के लिए उपयुक्त सामग्री डिजाइन और गुणवत्ता नियंत्रण मानकों को भी स्थापित करना होगा।
इन सीमाओं के बावजूद, यह शोध निर्माण सामग्री निर्माण में एक नई दिशा प्रदर्शित करता है: कणों के बीच खनिजों के विकास को निर्देशित करने के लिए सूक्ष्मजीवों का उपयोग करके प्राकृतिक दानेदार सामग्रियों को विशिष्ट आकार और गुणों के साथ निर्माण घटकों में परिवर्तित करना। यदि भविष्य में उप-उत्पाद उपचार, सामग्री की ताकत और बड़े पैमाने पर उत्पादन जैसे मुद्दों को हल किया जा सकता है, तो उच्च-ऊर्जा-खपत वाली विनिर्माण प्रक्रियाओं पर निर्भरता को कम करते हुए, कुछ पारंपरिक मोर्टार और भवन घटकों के उत्पादन में बायोसीमेंटेशन तकनीक लागू होने की उम्मीद है।
पारंपरिक कंक्रीट को सीधे बदलने की तुलना में, इस तकनीक का अधिक यथार्थवादी अल्पकालिक लक्ष्य पहले गैर-मुख्य लोड-असर घटकों और भवन सतह सामग्री जैसे अनुप्रयोग क्षेत्रों में प्रवेश करना है। शोध टीम के नतीजे बताते हैं कि बैक्टीरिया न केवल मिट्टी के सुदृढीकरण और भवन की मरम्मत में भाग ले सकते हैं, बल्कि नई निर्माण सामग्री के निर्माण के लिए एक उपकरण भी बन सकते हैं, जो निर्माण उद्योग में ऊर्जा की खपत और कार्बन उत्सर्जन को कम करने के लिए एक और तकनीकी मार्ग प्रदान करता है।
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