Глава 13. Самоподдерживающиеся

Живя на текучей планете, мы можем быть уверены только в одном — в переменах: уровень моря повышается; мантия Земли течет, сдвигая материки; вулканы извергаются, создавая одни новые земли и уничтожая другие; ураганы, тайфуны и цунами продолжают обрушиваться на наши побережья, превращая целые города в руины. Перед лицом такого будущего кажется разумным строить дома, дороги, системы водоснабжения, электростанции и, вообще говоря, аэропорты — всё, что нам необходимо для достойной и цивилизованной жизни, — так, чтобы они могли противостоять разрушениям. Они должны быть прочными и устойчивыми, чтобы выдерживать землетрясения и наводнения. Но было бы еще лучше, если бы мы могли так проектировать инфраструктуру, чтобы она сама себя ремонтировала; это сделало бы наши города более гибкими и устойчивыми перед лицом климатических перемен. Может показаться, что это слишком отдаленная угроза, но на самом деле именно этим занимались биологические системы на протяжении миллионов лет. Представьте себе дерево: если его повредит ураган, оно может починить себя, отрастив новые ветви. Точно так же и вы: если порежетесь, кожа залечит себя сама. Может быть, наши города могли бы тоже стать самовосстанавливающимися?

В 1927 г. профессор Томас Парнелл из Квинслендского университета затеял эксперимент с целью посмотреть, что произойдет с куском черного битума, если положить его в воронку и там оставить. Выяснилось, что на протяжении часов и суток битум ведет себя как твердое вещество и остается там, куда его положили. Но по прошествии месяцев и лет он начал вести себя как жидкость. Он стек по трубочке воронки и начал образовывать капли. Первая упала в 1938 г., вторая — в 1947 г., третья — в 1954 г. и т. д.; девятая капля упала недавно, в 2014 г. Удивительное поведение для вещества, которое кажется таким твердым, когда вы проезжаете по нему на автомобиле. Ездите вы, конечно, по асфальту, но это и есть битум, только в смеси со щебенкой. В чем же тут дело?

Эксперимент Квинслендского университета по капанию битума (фото сделано в 1990 г., за два года до седьмой и за десять лет до восьмой капли). © The University of Queensland

Битум — гораздо более интересный материал, чем кто-либо первоначально предполагал, включая специалистов-материаловедов. Это вещество, извлекаемое из земли или получаемое в качестве побочного продукта при переработке сырой нефти, на первый взгляд кажется всего лишь скучной черной густой грязью. Но на самом деле это динамическая смесь углеводородов, образовавшихся за миллионы лет при разложении молекулярной структуры биологических организмов. Продукты разложения представляют собой сложные молекулы, которые, хотя и не являются больше частью живых систем, самоорганизуются внутри битума, создавая набор взаимосвязанных структур. При нормальных температурах у более мелких молекул хватает энергии, чтобы передвигаться по его внутренней архитектуре, что и придает материалу текучесть. Так что битум — жидкость, хотя и очень вязкая: его вязкость в два миллиарда раз выше, чем у арахисовой пасты. Именно поэтому битуму профессора Парнелла потребовалось так много времени, чтобы прокапать через воронку.

Как текучесть жидкости внутри асфальтовой дороги позволяет трещинам самостоятельно затягиваться

Характерный для битума жгучий запах исходит от молекул, содержащих серу: химический элемент, часто ассоциируемый с пахучими органическими веществами. Когда вы проходите или проезжаете мимо рабочих, укладывающих новое дорожное покрытие, вы видите, как они разогревают битум, и чувствуете соответствующий запах. Разогрев обеспечивает молекулам в составе битума дополнительную энергию, что повышает их подвижность, а значит, текучесть материала. Но дополнительная энергия также позволяет большему числу молекул улетучиться в воздух, и при разогреве это вещество становится более пахучим — точно так же, как напитки будут ароматнее, если их подогреть.

Пахучая жидкость может показаться идиотским выбором материала для строительства дороги, но инженеры добавляют в нее щебенку, создавая композитный материал: частью жидкость, частью твердое вещество. Похоже, кстати, на структуру арахисовой пасты, которая состоит из большого количества кусочков молотого арахиса, помещенных в масло. Прочность и твердость камней поддерживают вес автомобилей, проезжающих по асфальту, и помогают дороге противостоять природным условиям. Иногда, если силы, действующие на дорогу, слишком велики, в полотне появляются трещинки, но, как правило, между камнями и скрепляющим их битумом. В этом случае на помощь приходит жидкая природа битума: он течет и заново затягивает эти трещинки, позволяя дороге самовосстанавливаться и служить намного дольше, чем любая твердая поверхность.

Конечно, многим пользователям автодорог доводилось замечать, что свойства самовосстановления имеют предел: со временем дороги все же стареют и начинают разрушаться. Отчасти в этом виновата температура. Если она опускается ниже, скажем, 20°C, жидкий битум становится таким вязким, что уже не может течь и залечивать трещинки по мере их появления. Кроме того, со временем кислород воздуха реагирует с молекулами на поверхности битума и изменяет их свойства, делая битум опять же все более вязким и все менее способным запечатывать трещинки. Через некоторое время дорожное покрытие меняет цвет и постепенно теряет текучесть, точно так же как кожа наша становится с возрастом менее гибкой и более сухой. Именно тогда на дороге появляются мелкие ямки, которые, если о них не позаботиться, постепенно растут и со временем полностью разрушают покрытие.

Хорошая иллюстрация к сказанному — мое путешествие на аэропортовском автобусе до гостиницы. Въехав в город, мы сразу же застряли в пробке, возникшей из-за перекрытия полос для замены дорожного полотна. Автобус еле полз, пока три полосы движения не сошлись в одну — по моей оценке, километр с небольшим мы ехали полчаса. Мои внутренние часы подсказывали, что сейчас два часа пополуночи; я устал и отчаянно хотел в туалет.

На самом деле такая ситуация вовсе не обязательна. По крайней мере мы, материаловеды, надеемся на это. Ученые и инженеры по всему миру активно разрабатывают стратегии увеличения срока службы дорог и снижения, таким образом, транспортных заторов. В Нидерландах группа инженеров изучает эффект от включения в битум микроскопических волокон стали. Это не слишком изменит механические свойства дороги, но сделает ее прочнее. Если этот материал подвергнуть действию переменного магнитного поля, в стальных волокнах возникнут электрические токи, которые их разогреют. Горячая сталь, в свою очередь, разогреет битум, сделав его локально более текучим и позволив затянуть любые трещинки. По сути, это перезарядка самовосстанавливающих свойств битума; кроме того, это поможет ему противостоять зимнему холоду. Сейчас эта технология испытывается на отрезках дороги в Нидерландах; по ней циркулирует специальный автомобиль, генерирующий требуемое магнитное поле. Идея в том, что в будущем все автомобили можно будет оснастить подобным устройством, чтобы всякий, проезжая по дороге, одновременно обновлял ее покрытие.

Еще один способ противодействия естественной потере битумом текучести — вовремя восполнять утраченные составляющие, те самые вещества, которые обеспечивают это его свойство. Простейший вариант — смазывать дорожное полотно специальным кремом, по сути увлажняющим, примерно таким же, какой мы наносим на свою кожу. Более хитроумный вариант этого метода сейчас испытывается группой в Ноттингемском университете под руководством доктора Альваро Гарсия. Ученые добавляют в битум микрокапсулы с подсолнечным маслом. Они остаются в веществе нетронутыми, пока в нем не возникнут микротрещины, которые разрушат оболочку. Высвобожденное масло локально повысит текучесть битума — а вместе с ней и его самовосстанавливающую способность. Результаты исследований показывают, что образцы треснувшего асфальта восстанавливаются до первоначальной прочности через два дня после высвобождения подсолнечного масла. Это кардинальное улучшение. По оценкам специалистов, этот метод потенциально способен увеличить срок жизни дорожного покрытия с двенадцати до шестнадцати лет при очень малом росте стоимости.

Наша исследовательская группа в Производственном институте работает над технологиями, способными помочь в ремонте асфальта, трещинки в котором уже довольно велики: мы придумали печатать битум на трехмерном принтере.

Трехмерная печать — относительно новый способ изготовления и ремонта предметов. Тысячи лет назад в Китае изобрели печать как процесс переноса чернил на лист с помощью деревянного блока. Остальной мир позаимствовал идею и привнес свои новшества, подарив нам мир книг, газет и журналов — информационную революцию. Но всё это двумерная печать. Трехмерная продвигает идею еще на шаг вперед; вместо того чтобы наносить тонкий слой чернил на страницу, можно создавать множество двумерных слоев жидкости, один поверх другого, причем каждый затвердевает прежде, чем накладывается следующий. В итоге получается трехмерный объект.

Процесс трехмерной печати. Головка превращает твердое тело в жидкость (часто путем нагревания) и выдавливает по заранее спланированной схеме на координатную плоскость. После остывания получается один твердый слой. Затем платформа сдвигается чуть ниже, и головка печатает следующий слой уже по новой схеме. Создав таким образом сотни слоев, вы получите объект

Конечно, чтобы напечатать такой объект, не обязательно использовать чернила. Можно взять любой материал, который способен переходить из жидкой формы в твердую. Посмотрите хотя бы на пчел. Именно так они сооружают свои необыкновенные шестиугольные соты. В возрасте от двенадцати до двадцати дней у рабочих пчел развивается особая железа, способная превращать мед в мягкие восковые хлопья. Они жуют воск и накладывают его слой за слоем, строя соты. Осы при строительстве своих гнезд пользуются этим же приемом; они пережевывают волокна древесины и смешивают их со слюной, создавая бумажные дома для своих личинок.

Человеческая технология трехмерной печати догоняет по качеству пчелиные и осиные. Пластмассу, например, можно выдавливать из принтера, слой за слоем, создавая твердые объекты сложнее пчелиных сот. Возможно даже получить трехмерные объекты с движущимися частями: эта техника используется в медицине для изготовления недорогих цельных протезов с действующими суставами. Трехмерная печать также применяется для создания биологических материалов. В 2018 г. китайские ученые провели первые клинические испытания по созданию искусственных ушных раковин для детей с врожденными пороками. Они использовали собственную клеточную ткань детей и трехмерные принтеры для формирования каркаса, по которому клеточная масса могла бы принять нужную форму.

Пчелы пользуются 3D-печатью при постройке своих сот намного дольше человека. © Frank Mikley

Трехмерная печать работает и с металлами. Голландская компания MX₃D использует ее для изготовления стальных мостов, добавляя расплавленную сталь капля за каплей и полагаясь на методы, позаимствованные из сварки. Еще одна технология предполагает использование мощного лазера, который плавит металлические порошки и соединяет их. Этот процесс используется для изготовления всего: от золотых украшений до деталей реактивных двигателей. Одно из главных преимуществ метода — возможность создавать полые объекты, снижая их вес и экономя материал. Объекты всё чаще разрабатываются сразу с внутренними каналами, по которым должны течь охладитель, смазка или даже топливо. По сути, такая конструкция имитирует строение тела: мы частично состоим из плотных тканей, частично из жидкости. Циркуляция крови доставляет к тканям питательные вещества при помощи сердечно-сосудистой системы, которая также транспортирует белки и другие молекулярные ингредиенты к поврежденным участкам. Это позволяет организму вырастить замену поврежденным клеткам кожи, мозга, печени, почек, сердца и т. п. Это еще один аспект природы, который мы можем теперь сымитировать благодаря трехмерной печати; потенциально это позволит технике служить дольше и самовосстанавливаться, а потому быть более надежной.

Поскольку человеческий организм зависит от циркуляции жидкостей, возникает побочный эффект: в нем скапливаются отходы жизнедеятельности, которые необходимо удалять. Избавление от кое-какой жидкости — первое, что было у меня на уме, когда я вышел наконец из аэропортовского автобуса перед своей гостиницей в Сан-Франциско. Мне по-прежнему очень нужно было в туалет. Во время регистрации я переминался с ноги на ногу, а затем припустил со всей возможной скоростью в отведенную мне комнату и едва не обмочился перед дверью, которая никак не хотела открываться в ответ на касание карточки. Наконец дверь распахнулась. О, какое облегчение!

Удовольствие иметь в номере собственную ванную комнату простирается намного дальше возможности пописать в любой момент, когда захочется. Это место, куда мы идем, чтобы очиститься, освежиться и поблаженствовать. И все эти возможности полностью зависят от доступности свободно текущей чистой воды. Большинство людей в развитых странах воспринимают удобства как нечто само собой разумеющееся, ведь инфраструктура, обеспечивающая водоснабжение и удаление отходов, почти не видна. Но она всегда рядом, жизнеобеспечивающая сеть наших городов, и ее поддержание и обслуживание удивительно дорого обходятся, даже в таких местах, как Сан-Франциско, где воды в изобилии. Для сбора отходов, их удержания и очистки, после которой воду можно возвращать в реки и моря, не вызывая их серьезного загрязнения, необходимо большое количество фильтрующих машин, осаждающих емкостей и перерабатывающих установок. Всё это стоит немалых денег и требует много энергии. Чем меньше вы хотите, чтобы стоки загрязняли экосистемы, тем дороже это обходится и тем больше воды вам нужно для разбавления того, что выходит из перерабатывающих заводов. Так что разобраться со стоками от посудомоечных и стиральных машин, душевых, ванн и туалетов для города размером с Сан-Франциско очень непросто. Питьевая вода тоже должна откуда-то браться, а там нужно больше фильтрации, насосов и мониторинга. Движение воды по кругу, загрязнение и очищение, требует энергии и воздействует на окружающую среду, поскольку появляются новые отходы.

На производство также тратится огромное количество воды, и при покупке большинства товаров вы увеличиваете свой «водный след». Может, вы принимаете душ всего дважды в неделю и пользуетесь туалетом с уменьшенным смывом, но ваш водный след все равно, скорее всего, значителен. По разным оценкам, водный след среднего американца по вещам, которые он покупает и использует только раз, составляет 2260 л в день благодаря таким водозатратным продуктам, как бумага, мясо и текстиль. Даже обыденное на первый взгляд действие, такое как съесть гамбургер, прочесть газету и купить футболку, существенно увеличивает его. Отсюда и объявление в ванной комнате гостиницы, напоминающее мне, что вода — ценный ресурс, и призывающее не требовать свежих полотенец ежедневно.

Некоторые ученые предполагают: когда население Земли в ближайшие несколько десятилетий увеличится до 10 млрд, доступ к чистой воде во многих регионах мира всё больше будет становиться предметом ожесточенной борьбы. Сейчас миллиард человек не имеет доступа к чистой воде, а треть населения Земли круглый год испытывает ее недостаток. Если ее будет мало, можно ожидать роста бедности, недоедания и распространения болезней. Подчеркну, что эта проблема распространяется не только на сельские сообщества, но и на большие города. Так, бразильский Сан-Паулу в 2015 г., когда сильная засуха опустошила главное городское водохранилище, испытывал серьезный дефицит воды. В худшей точке кризиса, по оценкам специалистов, в городе с населением 21,7 млн человек воды оставалось всего на двадцать суток. Многие другие мегаполисы мира сталкиваются с аналогичными проблемами; связано это с изменениями климата, ростом населения и, по мере увеличения богатства, большим водным следом на каждого человека.

Мы все очевидно зависим от воды. Но есть и другие жидкости, без которых невозможно устойчивое и здоровое общество. Некоторые из них вызывают удивление. Например, жидкое стекло. Значительная часть нашей пищи и напитков хранится и перевозится в стеклянной таре. Это замечательный материал. Будучи химически неактивным, он не реагирует с содержимым бутылки или банки, которую образует, и продукты в нем сохраняются дольше. Но стекло бьется, и тогда его необходимо вновь расплавить до жидкого состояния, чтобы изготовить новый сосуд. Так делали тысячи лет: замкнутая кольцевая система, которая позволяет нам вторично использовать отходы.

Стекло как тара для пищи и напитков имеет свои недостатки: оно обладает высокой плотностью, поэтому перевозка сосудов по миру требует больших энергозатрат. Кроме того, на плавление стекла тоже уходит много энергии, ведь для этого нужна очень высокая температура. Из-за этих двух факторов в мире, где энергия получается в основном за счет ископаемых видов топлива, стеклянные контейнеры обостряют проблемы, вызванные изменением климата.

Потому-то в XX в. от стеклянных сосудов люди перешли к пластмассовой упаковке, более легкой и гибкой; вдобавок на ее переплавку в новую тару требуется намного меньше энергии. По крайней мере теоретически. Реальность, однако, выглядит совершенно иначе. Было разработано множество упаковочных пластиков, каждый из которых обладает поразительной способностью сохранять пищу, жидкости, электронику и тому подобное и защищать их при перевозке. Но никто не подумал заранее о том, что произойдет, если их собрать и расплавить вместе. Из этой смеси получится плохой пластик, не способный выполнять работу исходных материалов, поскольку отдельные молекулы углеводородов, из которых состоит типичный пластик, химически связываются друг с другом вполне определенными способами. Эти связи формируют конкретные структуры, определяющие прочность, эластичность и прозрачность. Если сплавить вместе разные типы пластмасс, выйдет мешанина. Таким образом, пластмассы, чтобы их можно было использовать вновь, необходимо тщательно разлагать на составляющие. Поскольку сейчас широко используется более двухсот типов пластмасс и многие товары на рынке упакованы с применением двух-трех типов, причем самых разных расцветок, разделение пластиков стало дорогостоящей задачей. Мы пока не нашли способа привести их все в жидкое состояние так, чтобы получить устойчивую систему.

Печально, но во всем мире большая часть пластиковой упаковки не перерабатывается и не используется вторично. И это неуклонно ведет нас к экологической катастрофе. Свалки переполнены пластиком, а поскольку упаковка легкая, ветер без труда разносит ее. Пластик плавает, и при попадании в реку он со временем попадает в моря и океаны, загрязняя эти экосистемы. И скорость этих процессов всё растет. При нынешних темпах загрязнения, по оценкам ученых, к 2050 г. в океанах будет больше пластика, чем рыбы.

Проблема пластиковой упаковки не имеет простого решения. Использование стекла, как уже говорилось, очень энергозатратно, а затраты энергии, если она не получена из возобновляемых источников, непозволительны. Другой возможный заменитель — бумага, но на ее производство тратится больше энергии и воды, чем на производство пластика. Привлекательный вариант — использовать меньше упаковки. Но поскольку основная часть сельского хозяйства и производства связана с потреблением больших объемов воды, если меньшее количество упаковки увеличит потери продукции, в целом это, возможно, усилит давление на мировые запасы воды и пищи. Получается, проблема экобезопасной упаковки сделала полный круг, как часто и бывает в вопросах, где важную роль играют жидкости.

Так что я многого ожидал от этой конференции по экобезопасным технологиям, ради участия в которой пролетел 8000 км. Заинтересует ли участников наша работа в области самоподдерживающихся городов и трехмерной печати битума или дискуссия сосредоточится на более дешевых способах опреснения воды либо создании экобезопасной упаковки? Так или иначе, я понимал, что знания о поведении жидкостей будут играть здесь важную роль. Я посмотрел на часы. Скоро должны были начаться доклады. Я ополоснул лицо, чтобы взбодриться после смены часовых поясов, и направился вниз в конференц-зал.

Придя туда, я увидел нечто неожиданное: Сьюзен, которая направлялась к сцене. Мои глаза чуть не выскочили из орбит. Эта женщина, которую я знал так хорошо — проведя рядом с ней, в соседнем кресле, одиннадцать часов, — оказалась инженером. И не просто инженером, а ключевым докладчиком той самой встречи, ради которой я перелетел через полмира. Она блестяще говорила о стоящих перед нами сложных глобальных экологических вызовах, у нее был широкий кругозор. Но мне оказалось трудно сосредоточиться — я страшно злился на себя за то, что не поговорил с ней в самолете.

После презентации Сьюзен я не смог удержаться и не подойти поговорить с ней. Мне пришлось ждать в очереди, пока она терпеливо беседовала с другими участниками, столпившимися вокруг нее. Когда подошла моя очередь, я улыбнулся и, пытаясь сохранить хладнокровие, сказал: «Прекрасное выступление». Она посмотрела на меня, на секунду задумалась, пытаясь, очевидно, вспомнить, где она меня видела, а затем сказала: «Я полагаю, вы хотите получить обратно свою ручку».