Concrete is the most widely used construction material in the world. It can be found in swathes of city pavements, bridges that span vast rivers, and the tallest skyscrapers on earth. But this sturdy substance does have a weakness: it’s prone to catastrophic cracking that costs tens of billions of dollars to repair each year. But what if we could avoid that problem, by creating concrete that heals itself?
בטון הוא חומר הבניה שנמצא בשימוש הכי נרחב בעולם. הוא יכול להמצא בכמויות במדרכות של ערים, בגשרים שנמתחים מעל נהרות רחבים, ובגורדי השחקים הכי גבוהים בכדור הארץ. אבל לחומר העמיד הזה יש חולשה: הוא מועד לסדיקה קטסטרופלית שעולה עשרות מיליארדי דולרים לתיקון כל שנה. אבל מה אם נוכל להמנע מהבעיה הזו, על ידי יצירת בטון שמאחה את עצמו?
This idea isn’t as far-fetched as it may seem. It boils down to an understanding of how concrete forms, and how to exploit that process to our benefit. Concrete is a combination of coarse stone and sand particles, called aggregates, that mix with cement, a powdered blend of clay and limestone. When water gets added to this mix, the cement forms a paste and coats the aggregates, quickly hardening through a chemical reaction called hydration. Eventually, the resulting material grows strong enough to prop up buildings that climb hundreds of meters into the sky.
הרעיון לא כל כך מופרך כמו שהוא נראה. הוא בסופו של דבר מתמקד בהבנה של איך בטון נוצר, ואיך לנצל את התהליך לתועלתנו. בטון הוא שילוב של אבן גסה וחלקיקי חול, שנקראים אגרגט, שמעורבבים עם מלט, תערובת אבקתית של חימר וגיר. כשמים מוספים לתערובת, המלט יוצר משחה ומצפה את האגרט, מתקשה במהירות בתגובה כימית שנקראת הידרציה. לבסוף, החומר שנוצר מתחזק מספיק להחזיק בניינים שמתנשאים מאות מטרים לשמיים.
While people have been using a variety of recipes to produce cement for over 4,000 years, concrete itself has a surprisingly short lifespan. After 20 to 30 years, natural processes like concrete shrinkage, excessive freezing and thawing, and heavy loads can trigger cracking. And it’s not just big breaks that count: tiny cracks can be just as dangerous. Concrete is often used as a secondary support around steel reinforcements. In this concrete, even small cracks can channel water, oxygen, and carbon dioxide that corrode the steel and lead to disastrous collapse. On structures like bridges and highways that are constantly in use, detecting these problems before they lead to catastrophe becomes a huge and costly challenge. But not doing so would also endanger thousands of lives.
בעוד אנשים השתמשו במגוון מתכונים כדי ליצור מלט במשך יותר מ 4000 שנה, לבטון עצמו יש תוחלת חיים קצרה במפתיע. אחרי 20 עד 30 שנה, תהליכים טבעיים כמו התכווצות בטון, קפיאה והפשרה מוגזמים, ועומסים כבדים יכולים לגרום סדיקה. ולא רק שברים גדולים משנים: סדקים זעירים יכולים להיות מסוכנים באותה מידה. בטון הרבה פעמים בשימוש כתמיכה משנית סביב חיזוקים מפלדה. בבטון הזה, אפילו סדקים זעירים יכולים לתעל מים, חמצן, ופחמן דו חמצני שמחלידים את הפלדה ומובילים להתמוטטויות הרסניות. במבנים כמו גשרים וכבישים מהירים שנמצאים בשימוש קבוע, זיהוי הבעיות האלו לפני שהן מובילות לקטסטרופה הופך לאתגר עצום ויקר. אבל לא לעשות זאת יסכן גם הוא אלפי חיים.
Fortunately, we’re already experimenting with ways this material could start fixing itself. And some of these solutions are inspired by concrete’s natural self-healing mechanism. When water enters these tiny cracks, it hydrates the concrete’s calcium oxide. The resulting calcium hydroxide reacts with carbon dioxide in the air, starting a process called autogenous healing, where microscopic calcium carbonate crystals form and gradually fill the gap. Unfortunately, these crystals can only do so much, healing cracks that are less than 0.3mm wide.
למרבה המזל, אנחנו כבר מתנסים בדרכים שהחומר הזה יוכל להתחיל לתקן את עצמו. וכמה מהפתרונות האלו מקבלים השראה ממכניזם הריפוי העצמי הטבעי של בטון. כשמים נכנסים לסדקים הזעירים האלה, הם מרווים את תחמוצות הסידן בבטון. הסידן ההידרוקסידי שנוצר כתוצאה מגיב עם פחמן דו חמצני באויר, ומתחיל תהליך שנקרא ריפוי אוטוגני, בו קריסטלים מיקרוסקופיים של סידן פחמני נוצרים ובהדרגה ממלאים את הפער. לצערנו, הקריסטלים האלה עוזרים רק במידה מסויימת, מרפאים את הסדקים ברוחב של פחות מ 0.3 מ"מ.
Material scientists have figured out how to heal cracks up to twice that size by adding hidden glue into the concrete mix. If we put adhesive-filled fibers and tubes into the mixture, they’ll snap open when a crack forms, releasing their sticky contents and sealing the gap. But adhesive chemicals often behave very differently from concrete, and over time, these adhesives can lead to even worse cracks.
מדענים חומרים הבינו איך לרפא סדקים עד עובי כפול על ידי הוספת דבק סמוי לתערובת הבטון. אם נשים סיבים מלאי דבק וצינוריות בתוך התערובת, הם יפתחו כשהסדק יווצר, ישחררו את התוכן הדביק שלהם ויאטמו את הפער. אבל כימיקלים דביקים הרבה פעמים מתנהגים שונה מאוד מהבטון, ובמשך הזמן, הדבקים האלה יכולים להוביל לסדקים אפילו גדולים יותר.
So perhaps the best way to heal large cracks is to give concrete the tools to help itself. Scientists have discovered that some bacteria and fungi can produce minerals, including the calcium carbonate found in autogenous healing. Experimental blends of concrete include these bacterial or fungal spores alongside nutrients in their concrete mix, where they could lie dormant for hundreds of years. When cracks finally appear and water trickles into the concrete, the spores germinate, grow, and consume the nutrient soup that surrounds them, modifying their local environment to create the perfect conditions for calcium carbonate to grow. These crystals gradually fill the gaps, and after roughly three weeks, the hard-working microbes can completely repair cracks up to almost 1mm wide. When the cracks seal, the bacteria or fungi will make spores and go dormant once more— ready to start a new cycle of self-healing when cracks form again.
אז אולי הדרך הטובה ביותר לרפא סדקים גדולים היא לתת לבטון את הכלים לעזור לעצמו. מדענים גילו שכמה בקטריות ופטריות יכולות לייצר מינרלים, כולל סידן פחמתי שנמצא בריפוי אוטוגני. תערובות נסיוניות של בטון כוללות את הבקטריות או נבגי הפטריות האלו יחד עם חומרים מזינים בתערובת הבטון, שם הם יכולים להשאר רדומים במשך מאות שנים. כשסדקים מופיעים בסוף ומים מחלחלים לתוך הבטון, הנבגים בוקעים, גדלים, וצורכים את החומרים המזינים שמקיפים אותם, משנים את הסביבה המקומית שלהם כדי ליצור את התנאים המושלמים לסידן פחמתי לגדול. הגבישים האלה ממלאים בהדרגה את הפערים, ואחרי בערך שלושה שבועות, המיקרובים העובדים יכולים לתקן לגמרי סדקים עד לרוחב של כמעט מילימטר אחד. כשהסדקים נאטמים, הבקטריות או הפטריות יצרו נבגים וירדמו שוב -- מוכנים להתחיל מחזור חדש של ריפוי עצמי כשהסדקים יווצרו שוב.
Although this technique has been studied extensively, we still have a ways to go before incorporating it in the global production of concrete. But, these spores have huge potential to make concrete more resilient and long-lasting— which could drastically reduce the financial and environmental cost of concrete production. Eventually, these microorganisms may force us to reconsider the way we think about our cities, bringing our inanimate concrete jungles to life.
למרות שהשיטה הזו נחקרה בהקף נרחב, יש לנו עדיין דרך לעבור לפני שנשלב אותה ביצור הגלובלי של בטון. אבל, לנבגים האלה יש פוטנציאל אדיר להפוך בטון ליותר עמיד ומחזיק זמן רב יותר -- מה שיכול להפחית דרסטית את העלות הכספית והסביבתית של יצור בטון. לבסוף, המיקרו אורגניזמים האלה יכולים לגרום לנו לשקול מחדש את הדרך בה אנחנו חושבים על הערים שלנו, מביאים את יערות הבטון הדוממים לחיים.