Chcieli budować lotniskowce z lodu. 80 lat później naukowcy wracają do pomysłu

Miał mieć 600 m długości, ściany grube na kilkanaście metrów i pokład, z którego startowałyby ciężkie samoloty. Problemem było jednak to, że cały okręt miał być zbudowany przede wszystkim z lodu. Jeden z najbardziej niezwykłych projektów II wojny światowej nigdy nie wyszedł poza eksperymentalny prototyp. Ponad 80 lat później naukowcy wracają jednak do pomysłu, który stał za projektem Habakkuk. Tym razem zamiast trocin do lodu dodali nanokryształy celulozy i specjalnie zaprojektowane białko. Powstał BioPykrete – materiał około 10 razy mocniejszy od zwykłego lodu.

W 1942 r. Brytyjczycy mieli naprawdę poważny problem. Na środku Atlantyku znajdował się obszar pozostający poza zasięgiem samolotów startujących z lądu. Niemieckie U-Booty mogły tam polować na konwoje, a budowa ogromnej liczby klasycznych lotniskowców wymagałaby stali, której podczas wojny potrzebowano praktycznie wszędzie.

Geoffrey Pyke zaproponował więc rozwiązanie brzmiące jak żart: zbudujmy lotnisko z lodu i wypchnijmy je na ocean. Tak narodził się projekt Habakkuk. Docelowa konstrukcja miała mieć około 600 m długości, około 90 m szerokości i wyporność liczona w milionach ton. Nie byłby to nawet lotniskowiec w tradycyjnym znaczeniu. Bardziej pływająca wyspa z pasem startowym, hangarami i własnym systemem chłodzenia.

Zwykły lód szybko okazał się jednak zbyt kruchy. Rozwiązaniem miał być pykret, czyli mieszanina lodu i włókien drzewnych. Dodatek około kilkunastu procent miazgi drzewnej sprawiał, że materiał stawał się znacznie mocniejszy, pękał wolniej i dużo lepiej znosił uderzenia. Samą historię absurdalnie wielkiego lodowego lotniskowca opisywaliśmy już dokładnie na Spider's Web. Tym razem ciekawsze jest jednak to, co stało się z samym materiałem. Bo pykret właśnie dostał wersję 2.0.

Zespół kierowany przez prof. Ido Braslavsky'ego z Hebrew University of Jerusalem zaczął dokładnie od tego samego pomysłu: lód trzeba wzmocnić celulozą. Zamiast kawałków drewna naukowcy wykorzystali jednak nanokryształy celulozy, czyli niezwykle małe, sztywne cząstki otrzymywane z materiału budującego rośliny. Podczas zamarzania nie zostają one przypadkowo rozrzucone w bryle lodu. Tworzą wewnątrz trójwymiarową sieć otaczającą mikroskopijne fragmenty lodu.

Można wyobrazić ją sobie jak bardzo drobną konstrukcję zbrojeniową. To bardzo ważne, bo największą wadą lodu nie jest wcale to, że jest wyjątkowo miękki. Problemem jest przede wszystkim jego kruchość. Gdy pojawi się pęknięcie, może błyskawicznie przejść przez cały materiał. Sieć nanocelulozy stawia mu przeszkody. Pęknięcie dochodzi do granicy kolejnej mikroskopijnej komórki i znacznie trudniej jest mu rozprzestrzeniać się dalej. Jednak badacze dołożyli jeszcze jeden składnik.

Najciekawszy element BioPykrete nie jest nawet widoczny pod zwykłym mikroskopem. Naukowcy połączyli dwa różne fragmenty białek. Pierwszy to AFPIII, czyli białko wiążące się z kryształami lodu. Podobne białka występują naturalnie u organizmów żyjących w bardzo niskich temperaturach i pomagają im kontrolować wzrost kryształków. Drugi fragment, CBM3a, bardzo dobrze przyczepia się do krystalicznej celulozy. Połączone razem tworzą coś w rodzaju molekularnego kleju.

Jedna część zakotwicza się w lodzie, druga chwyta nanocelulozę. Dzięki temu dwa składniki kompozytu nie znajdują się po prostu obok siebie, lecz są ze sobą znacznie mocniej związane. I wyniki robią wrażenie.

Podczas testów ściskania BioPykrete osiągnął około 10-krotnie większą wytrzymałość niż zwykły lód. Jeszcze większa różnica pojawiła się przy ilości energii, jaką próbka mogła pochłonąć przed zniszczeniem. Tutaj wzrost wyniósł około 70 razy. To ważniejsze, niż może się wydawać. Zwykły lód pod obciążeniem potrafi długo wyglądać zupełnie dobrze, a następnie nagle pęknąć. BioPykrete zachowuje się inaczej. Zamiast katastrofalnego rozpadu zaczyna stopniowo się odkształcać.

Daje więc wyraźne sygnały, że konstrukcja jest przeciążona i nie rozpada się natychmiast po pojawieniu pierwszej szczeliny. Co więcej, dodanie zaprojektowanego białka mniej więcej podwoiło wytrzymałość i energię pochłanianą przed zniszczeniem względem podobnej mieszanki samego lodu i nanocelulozy. Autorzy pracy twierdzą, że wytrzymałość na ściskanie końcowego materiału zbliża się już do zakresu spotykanego w zwykłym betonie.

Brzmi świetnie, dopóki nie przypomnimy sobie jednej drobnej rzeczy. To nadal jest lód. BioPykrete nie zamieni się nagle w alternatywę dla betonu używaną przy budowie biurowców, mostów czy bloków w Polsce. Gdy zrobi się dostatecznie ciepło, zacznie się topić. Naukowcy patrzą więc w zupełnie innym kierunku.

Materiał mógłby mieć sens przede wszystkim w Arktyce i Antarktyce, gdzie dostęp do wody i niskiej temperatury jest banalnie prosty, za to transportowanie tysięcy ton cementu, stali i prefabrykatów potrafi kosztować fortunę. Z lokalnego lodu oraz niewielkiej ilości przywiezionego dodatku można byłoby potencjalnie budować tymczasowe magazyny, osłony, drogi, platformy albo inne konstrukcje. Po zakończeniu użytkowania zdecydowana większość materiału po prostu się roztopi, a celuloza jest biodegradowalna. Przynajmniej taki jest plan.

BioPykrete jest na razie konceptem, a nie nowym materiałem budowlanym gotowym do certyfikacji. Próbki wykorzystywane przez naukowców miały rozmiary liczone w centymetrach. To bardzo daleko od ściany domu, pasa startowego czy konstrukcji przenoszącej tysiące ton. Nie wiadomo jeszcze, jak materiał będzie zachowywał się przez miesiące i lata.

Trzeba jeszcze zbadać m.in. wielokrotne cykle zamarzania i rozmrażania, długotrwałe obciążenie oraz tzw. pełzanie. Lód może bowiem powoli zmieniać kształt nawet wtedy, gdy działająca na niego siła pozostaje stała.

Przeczytaj także:

To zresztą dokładnie jeden z problemów, który 80 lat temu dopadł projekt Habakkuk. Pykret musiałby być cały czas chłodzony, żeby gigantyczny okręt z czasem nie zaczął deformować się pod własnym ciężarem.  Historia zatoczyła więc dość zabawne koło. Brytyjczycy chcieli wrzucić drewno do lodu, żeby zbudować największy lotniskowiec świata. W XXI w. naukowcy zeszli z tym samym pomysłem do skali nanometrów i dołożyli genetycznie zaprojektowane białko. Lotniskowca z BioPykrete raczej nie zobaczymy, ale materiał, który 80 lat temu powstał z wojennej desperacji, może jeszcze znaleźć znacznie rozsądniejsze zastosowanie.

*Grafika wprowadzająca wygenerowana przez AI