Οι επιστήμονες ξεκλειδώνουν τα μυστικά αντοχής των αρχαίων κτιρίων

Στην προσπάθειά τους να χτίσουν καλύτερα στο μέλλον, κάποιοι αναζητούν απαντήσεις στο μακρινό παρελθόν.

Οι αρχαίοι οικοδόμοι σε όλο τον κόσμο δημιούργησαν κατασκευές που στέκονται ακόμη και σήμερα, χιλιάδες χρόνια αργότερα -από τους Ρωμαίους μηχανικούς που έριξαν παχιά τσιμεντένια θαλάσσια φράγματα, μέχρι τους μαστόρους των Μάγια που φιλοτέχνησαν γύψινα γλυπτά για τους θεούς τους και μέχρι τους Κινέζους οικοδόμους που ύψωσαν τείχη ενάντια στους εισβολείς.

Ωστόσο, δεκάδες πιο πρόσφατες κατασκευές φτάνουν ήδη στην ημερομηνία λήξης τους: Το σκυρόδεμα από το οποίο αποτελείται ένα μεγάλο μέρος του σύγχρονου κόσμου μας έχει διάρκεια ζωής περίπου 50 έως 100 χρόνια.

Ένας μεγάλος αριθμός επιστημόνων μελετά υλικά από μακρινές εποχές -αποκολλώντας κομμάτια από κτίρια, μελετώντας ιστορικά κείμενα, αναμειγνύοντας συνταγές- ελπίζοντας να ανακαλύψουν πώς άντεξαν για χιλιετίες.

Αυτή η αντίστροφη μηχανική ανέδειξε έναν εκπληκτικό κατάλογο συστατικών που αναμίχθηκαν σε παλιά κτίρια -υλικά όπως φλοιός δέντρων, ηφαιστειακή τέφρα, ρύζι, μπύρα, ακόμη και ούρα. Αυτές οι απροσδόκητες προσθήκες θα μπορούσαν να είναι το κλειδί για ορισμένες αρκετά εντυπωσιακές ιδιότητες, όπως η ικανότητα να γίνεται ισχυρότερο με την πάροδο του χρόνου και να «θεραπεύει» τις ρωγμές όταν σχηματίζονται.

Η εύρεση τρόπου αντιγραφής αυτών των χαρακτηριστικών θα μπορούσε να έχει πραγματικές επιπτώσεις σήμερα: Ενώ το σύγχρονο σκυρόδεμά μας έχει τη δύναμη να συγκρατεί τεράστιους ουρανοξύστες και βαριές υποδομές, δεν μπορεί να ανταγωνιστεί την αντοχή αυτών των αρχαίων υλικών.

Και με τις αυξανόμενες απειλές της κλιματικής αλλαγής, υπάρχει μια αυξανόμενη έκκληση να γίνουν οι κατασκευές πιο βιώσιμες. Μια πρόσφατη έκθεση του ΟΗΕ εκτιμά ότι το δομημένο περιβάλλον είναι υπεύθυνο για περισσότερο από το ένα τρίτο των παγκόσμιων εκπομπών CO2 - και μόνο η παραγωγή τσιμέντου αποτελεί περισσότερο από το 7% αυτών των εκπομπών.

Το αρχαίο ρωμαϊκό σκυρόδεμα 

Πολλοί ερευνητές έχουν στραφεί στους Ρωμαίους προκειμένου να αντλήσουν έμπνευση. Ξεκινώντας γύρω στο 200 π.Χ., οι αρχιτέκτονες της Ρωμαϊκής Αυτοκρατορίας κατασκεύαζαν εντυπωσιακές κατασκευές από σκυρόδεμα που έχουν αντέξει στη δοκιμασία του χρόνου -από τον πανύψηλο θόλο του Πάνθεον μέχρι τα στιβαρά υδραγωγεία που μεταφέρουν νερό ακόμη και σήμερα.

Ακόμα και στα λιμάνια, όπου το θαλασσινό νερό χτυπάει τις κατασκευές εδώ και αιώνες, θα βρείτε σκυρόδεμα «βασικά όπως ήταν όταν χύνεται πριν από 2.000 χρόνια», δήλωσε ο John Oleson, αρχαιολόγος στο Πανεπιστήμιο της Βικτώριας στον Καναδά.

Το μεγαλύτερο μέρος του σύγχρονου σκυροδέματος έχει ως βάση το τσιμέντο Πόρτλαντ, μια σκόνη που παρασκευάζεται με τη θέρμανση ασβεστόλιθου και πηλού σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες και τη λείανσή τους. Αυτό το τσιμέντο αναμιγνύεται με νερό για να δημιουργηθεί μια χημικά αντιδραστική πάστα. Στη συνέχεια, προστίθενται κομμάτια υλικών όπως πέτρες και χαλίκια, και η πάστα τσιμέντου τα συνδέει σε μια μάζα σκυροδέματος.

Σύμφωνα με καταγραφές αρχαίων αρχιτεκτόνων όπως ο Βιτρούβιος, η ρωμαϊκή διαδικασία ήταν παρόμοια. Οι αρχαίοι οικοδόμοι ανακάτευαν υλικά όπως ο καμένος ασβεστόλιθος και η ηφαιστειακή άμμος με νερό και χαλίκι, δημιουργώντας χημικές αντιδράσεις για να δέσουν τα πάντα μεταξύ τους.

Τώρα, οι επιστήμονες πιστεύουν ότι βρήκαν έναν βασικό λόγο για τον οποίο κάποιο ρωμαϊκό σκυρόδεμα κρατούσε τις κατασκευές για χιλιάδες χρόνια: Το αρχαίο υλικό έχει μια ασυνήθιστη δύναμη να αυτοεπιδιορθώνεται. Ο ακριβής τρόπος δεν είναι ακόμη ξεκάθαρος, αλλά οι επιστήμονες αρχίζουν να βρίσκουν ενδείξεις.

Σε μια μελέτη που δημοσιεύθηκε νωρίτερα φέτος, ο Αντμίρ Μάσιτς, πολιτικός μηχανικός και μηχανικός περιβάλλοντος στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης, πρότεινε ότι αυτή η δύναμη προέρχεται από κομμάτια ασβέστη που είναι διάσπαρτα σε όλο το ρωμαϊκό υλικό αντί να αναμιγνύονται ομοιόμορφα. Οι ερευνητές πίστευαν ότι αυτά τα κομμάτια ήταν σημάδι ότι οι Ρωμαίοι δεν ανακάτευαν αρκετά καλά τα υλικά τους.

Αντίθετα, μετά την ανάλυση δειγμάτων σκυροδέματος από το Privernum - μια αρχαία πόλη έξω από τη Ρώμη - οι επιστήμονες διαπίστωσαν ότι τα κομμάτια θα μπορούσαν να ενεργοποιήσουν τις ικανότητες «αυτοθεραπείας» του υλικού. Όταν σχηματίζονται ρωγμές, το νερό είναι σε θέση να εισχωρήσει στο σκυρόδεμα, εξήγησε ο Μάσιτς. Αυτό το νερό ενεργοποιεί τους εναπομείναντες θύλακες ασβέστη, πυροδοτώντας νέες χημικές αντιδράσεις που μπορούν να γεμίσουν τα κατεστραμμένα τμήματα.

Η Μαρί Τζάκσον, γεωλόγος στο Πανεπιστήμιο της Γιούτα, έχει διαφορετική άποψη. Η έρευνά της διαπίστωσε ότι το κλειδί μπορεί να βρίσκεται στα συγκεκριμένα ηφαιστειακά υλικά που χρησιμοποιούσαν οι Ρωμαίοι.

Οι οικοδόμοι μάζευαν ηφαιστειακά πετρώματα που είχαν απομείνει μετά από εκρήξεις για να τα αναμείξουν στο σκυρόδεμά τους. Αυτό το φυσικά αντιδραστικό υλικό αλλάζει με την πάροδο του χρόνου καθώς αλληλεπιδρά με τα στοιχεία, δήλωσε η Τζάκσον, επιτρέποντάς του να σφραγίζει τις ρωγμές που δημιουργούνται.

Η ικανότητα να προσαρμόζεται συνεχώς με την πάροδο του χρόνου «είναι πραγματικά η ιδιοφυΐα του υλικού», δήλωσε ο Τζάκσον. «Το σκυρόδεμα ήταν τόσο καλά σχεδιασμένο που συντηρεί τον εαυτό του».

Χρησιμοποιώντας χυμό δέντρων

Στο Copan, μια τοποθεσία των Μάγια στην Ονδούρα, περίπλοκα γλυπτά και ναοί από ασβέστη παραμένουν ανέπαφα ακόμη και μετά από περισσότερα από 1.000 χρόνια έκθεσης σε ένα ζεστό, υγρό περιβάλλον. Και σύμφωνα με μια μελέτη που δημοσιεύθηκε νωρίτερα φέτος, το μυστικό της μακροζωίας αυτών των κατασκευών μπορεί να βρίσκεται στα δέντρα που φυτρώνουν ανάμεσά τους.

Οι ερευνητές εδώ είχαν έναν ζωντανό σύνδεσμο με τους δημιουργούς των κατασκευών: Συναντήθηκαν με ντόπιους μαστόρους στην Ονδούρα, οι οποίοι εντόπισαν την καταγωγή τους μέχρι τους οικοδόμους των Μάγια.

Οι χτίστες πρότειναν να χρησιμοποιηθούν εκχυλίσματα από τα τοπικά δέντρα chukum και jiote στο μίγμα ασβέστη. Όταν οι ερευνητές δοκίμασαν τη συνταγή -συλλέγοντας φλοιό, βάζοντας τα κομμάτια σε νερό και προσθέτοντας τον προκύπτοντα «χυμό» των δέντρων στο υλικό- διαπίστωσαν ότι ο σοβάς που προέκυψε ήταν ιδιαίτερα ανθεκτικός έναντι φυσικών και χημικών φθορών.

Όταν οι επιστήμονες έκαναν τη μεγέθυνση, είδαν ότι κομμάτια οργανικού υλικού από το χυμό των δέντρων ενσωματώθηκαν στη μοριακή δομή του γύψου. Με αυτόν τον τρόπο, ο γύψος των Μάγια μπόρεσε να μιμηθεί ανθεκτικές φυσικές δομές όπως τα κοχύλια και τα αγκάθια του αχινού - και να δανειστεί μέρος της ανθεκτικότητάς τους.

Μελέτες έχουν βρει όλα τα είδη φυσικών υλικών αναμεμειγμένα σε δομές από πολύ παλιά: εκχυλίσματα φρούτων, γάλα, τυρόπηγμα, μπύρα, ακόμη και κοπριά και ούρα. Το κονίαμα που συγκρατεί μερικές από τις πιο διάσημες κατασκευές της Κίνας - συμπεριλαμβανομένου του Σινικού Τείχους και της Απαγορευμένης Πόλης - περιλαμβάνει ίχνη αμύλου από κολλώδες ρύζι.

Αρχαίοι ρωμαϊκοί ... ουρανοξύστες;

Οι σημερινοί κατασκευαστές δεν μπορούν απλώς να αντιγράψουν τις αρχαίες συνταγές. Παρόλο που το ρωμαϊκό σκυρόδεμα άντεξε πολύ καιρό, δεν μπορούσε να αντέξει βαριά φορτία.

Αντίθετα, οι ερευνητές προσπαθούν να πάρουν κάποιες από τις ιδιαιτερότητες του αρχαίου υλικού και να τις προσθέσουν σε σύγχρονα μείγματα. Ο Μάσιτς είναι μέλος μιας νεοφυούς επιχείρησης που προσπαθεί να κατασκευάσει νέα έργα χρησιμοποιώντας ρωμαϊκής έμπνευσης, «αυτοθεραπευόμενο» σκυρόδεμα.

Δεν χρειάζεται να κάνουμε τα πράγματα να διαρκούν τόσο πολύ όσο οι Ρωμαίοι για να έχουν αντίκτυπο, δήλωσε ο Μάσιτς. Αν προσθέσουμε 50 ή 100 χρόνια στη διάρκεια ζωής του σκυροδέματος, «θα απαιτήσουμε λιγότερες κατεδαφίσεις, λιγότερη συντήρηση και λιγότερα υλικά μακροπρόθεσμα».

Mε πληροφορίες από ΑΡ