Выпускница магистратуры ВШЭ разработала технологию для борьбы с карстовыми провалами

Анна Будникова, выпускница магистратуры «Прототипирование городов будущего»

© Высшая школа экономики/ Михаил Дмитриев

В этом году на международной магистерской программе «Прототипирование городов будущего» состоялся первый выпускной. Среди выпускников, получивших диплом с отличием, — Анна Будникова, архитектор и изобретатель уникальной технологии для укрепления карстовых воронок с помощью спор грибов.

Биотехнологии для спасения Казани

Два года назад Анна Будникова и еще трое выпускников казанских вузов получили грант Президента Республики Татарстан и стали студентами англоязычной магистратуры «Прототипирование городов будущего». Изначально Анна заинтересовалась гидрологией — до поступления в магистратуру она занималась проектом, связанным с мониторингом водных ресурсов и их использованием в архитектурной среде, и планировала дальше погружаться в тему.

Одним из условий получения гранта была разработка во время учебы проектов, актуальных и полезных для Казани.

«Раз у нас появилась такая возможность, мы хотели сделать что-то для Казани. Город стоит на карстовой платформе. Вода размывает горные породы, регулярно вызывая провалы. Эта сложная гидрогеологическая тематика, как ни странно, имеет прикладной характер и в сфере архитектуры и архитектурных материалов», — рассказывает Анна.

В результате фокус исследования сместился на изучение карстовых воронок и поиск новых решений для борьбы с ними.

Выбранную тему поддержала ведущий эксперт Шухов Лаб Елена Митрофанова, и в феврале 2019 года под ее руководством началась работа над проектом. «Мы переключились на конкретную локацию в Казани и обнаружили проблемную зону с разрушением карстовых слоев, — рассказывает Елена. — Сейчас, когда в городе образуются карстовые провалы, они засыпаются или заливаются различными материалами. Мы же подумали о том, что с этими провалами можно работать и как с некоторой новой архитектурной морфологией с помощью биотехнологий и самовосстанавливающихся систем, которые активно развиваются в последние несколько лет».

Создание «Микокарста». Исследование

Приступая к работе над технологией, которая позже получила название «Микокарст», Анна изучила уже существующие исследования в этой области. Например, ученые из Бингемтонского университета (США) для восстановления карбонатных стен зданий и кирпича использовали споры грибов, а сейчас исследуют самовосстановление бетона. А группа ученых из Делфтского университета (Нидерланды), начав подобные изучения самовосстанавливающихся материалов в 2014-2015 годах, создала работающий прототип, который пока не запущен в производство. В своей технологии ученые используют дорогостоящие бактерии, один пакетик которых в России стоит около 60 тысяч рублей.

«Я нашла проблему в карсте. Мне показалось интересным, что никто с ней не работал, хотя это очевидная задача, актуальная во всем мире», — рассказывает Анна.

Провалы карста в городской среде абсолютно никак не программируются. Заливать их бетоном — плохое решение, но в настоящее время нет другой эффективной технологии

Анна решила изучить тему и попытаться укрепить провалы, повторив эксперимент ученых Бингемтонского университета — с помощью простых спор грибов Trichoderma reesei, которые можно найти в России.

Эксперимент

По словам Анны, в процессе работы она рассматривала все типологии воронок, начиная от совсем небольших и заканчивая крупными экземплярами с диаметром 300 метров. Главный риск при укреплении таких воронок состоит в том, что биоматериал может не прижиться на всех участках, к тому же для подобных площадей требуется много повторных тестов. На первом этапе работы Анна консультировалась с экспертом из Казанского федерального университета.  Он посоветовал рассмотреть картовый участок около реки Нокса, где и нашли овраг высотой примерно 5 метров и шириной 7 метров. Для тестирования был выбран один из его участков.

«Допустим, есть проблемная зона или уже имеющаяся воронка. Технология простая — распылить споры грибов на поверхности почвы, примерно 20 грамм на квадратный метр, — говорит Анна. — До этого нужно проверить состав почвы: чтобы процесс начался, необходим кальций, обычно присутствующий в карстовых породах. Если его недостаточно, наносим дополнительный слой золы или доломитовой муки, прежде чем распылять споры грибов. Я предполагаю, в будущем это может делать дрон или другая роботизированная техника».

Дальше все работает в условиях естественного климата. Для развития спор грибов требуется температура не выше +17 C и высокая влажность, то есть подойдет весеннее-осенний сезон (как и для роста грибов). Карстовая воронка защищена от прямых солнечных лучей, внутри нее сохраняется влажность, и это благоприятная среда для развития спор, которые не смогут «расползтись» дальше по поверхности. Система приживается три недели. Если в это время условия не соблюдаются, то споры грибов могут не прижиться и не разрастись. Технология максимально простая. Даже если что-то пойдет не так, процесс можно повторить еще раз. В том случае, если все условия соблюдены, получившийся материал способен выдерживать нагрузку до 40 МПа, что приравнивается к здоровому и прочному материалу.

«Всего в ходе эксперимента у меня было более 20 итераций. Я меняла количество воды, спор, добавляла доломитовую муку или золу и так шаг за шагом пришла к правильной пропорции», — объясняет Анна.  

В общей сложности работа над проектом длилась с февраля по май 2019 года. Я консультировалась со специалистом по биомиметике и искала эксперта-биолога

Однако исследование Анна оказалось слишком специфичным: никто не мог дать конкретных ответов и предложить решение, так что все эксперименты ей пришлось проводить самой. Это оказалось непросто, но так как ее мама и дедушка - профессора в области химии, она спрашивала у них про минерализацию кальцита, читала научные труды и самостоятельно подбирала материалы.

Результат

Для своего эксперимента Анна Будникова использовала участок, который находится в пригороде и вдалеке от жилых домов. Хотя вообще карстовые воронки в Казани образуются прямо под стенами Кремля, и прежде чем использовать эту технологию в городском масштабе, потребуются длительные дополнительные тесты с использованием специального оборудования.

В результате исследования удалось выяснить, что с помощью спор грибов карстовые воронки укрепляются и перестают разрастаться, а впоследствии их можно использовать как резервуары воды для города. После укрепления их можно заливать тем же бетоном— например, в дорожных покрытиях, где оставлять провалы нельзя, однако уже по другой технологии. Архитектурное сообщество готово работать с этими воронками как с полноценным архитектурным объектом. Подобные воронки могут быть не просто «ямой», но и выстраиваться в сложную систему пещер — например, такие пещеры в Китае сейчас входят в список всемирного наследия ЮНЕСКО.

Оценка профессионального сообщества

В июне Анна Будникова и Елена Митрофанова представили исследование «Микокарст: новая генерация самовосстанавливающихся материалов городской среды на основе спор грибов» на ежегодном двухдневном саммите Biodesign Challenge в Нью-Йорке.

Biodesign Challenge — международный университетский конкурс, организованный Genspace NYC, целью которого является подготовка молодых дизайнеров и ученых для разработки биотехнологий будущего. В этом году Вышка участвовала в нем впервые. Всего в отборе конкурса Biodesign Challenge приняли участие 500 студентов из 34 университетов мира. «Наш проект был больше связан с архитектурным направлением, хотя сам конкурс поддерживает самые разные повестки, связанные с экологией, транспортом, внедрением биотехнологий, урбанистикой и дизайном вещей», — говорит Елена Митрофанова.

В финале конкурса, который прошел в нью-йоркском Музее современного искусства (MoMA), Вышка обошла Гарвард, Калифорнийский и Колумбийский университеты, а студентка Анна Будникова стала победителем в номинации «Выдающийся научный проект» (Outstanding Science Award). «Мой проект все хвалили, — отмечает Анна. — Но ему немного не хватило экономической составляющей, это уже другая стадия проработки. Я представляла его не как готовый продукт, а как концепцию, актуальную для архитектуры и которая потенциально может кого-то заинтересовать».

Практически сразу после победы в США, «Микокарст» представили на прошедшем в Зарядье Московском урбанистическом форуме «Качество жизни. Проекты, меняющие города». Выпускники программы «Прототипирование городов будущего» рассказали о своих исследованиях президенту Республики Татарстан Рустаму Минниханову, помощнику президента Наталии Фишман-Бекмамбетовой и вице-мэру Москвы Марату Хуснуллину.

Получение патента и собственное архитектурное бюро

Рассказывая о будущем проекта, Анна отмечает, что хотела бы опубликовать результаты исследования, которые впоследствии можно использовать для поступления на программу PhD.

Поступать на PhD я буду через год: сначала хочу поработать архитектором в бюро, открытом инновациям. Возможно, даже открою его сама, иначе зачем я вообще все это изучаю

Следующий шаг — получение патента на технологию, которую можно применять для борьбы с карстовыми воронками. «Ученые из Бингемтонского университета даже писали, что они единственные, кто использует споры грибов для самовосстанавливающихся материалов, — говорит Анна. — Они исследуют эту тему чуть ли не 20 лет, но публикуются в последние годы. Я написала им о своем исследовании и предложила возможность сотрудничества, но они не ответили. Мне кажется, коллаборации полезны, так что, возможно, я подключу к исследованию другие лаборатории, хотя пока не знаю, кто еще этим занимается кроме Шухов Лаб и Сколтеха».

До 10 августа принимаются заявки на участие во втором грантовом конкурсе для студентов из Республики Татарстан. Пять грантов в размере до 950 тыс. рублей покроют полную стоимость двухлетнего обучения на программе «Прототипирование городов будущего» и проживание в общежитии НИУ ВШЭ. Узнать подробности и подать заявку можно здесь. Прием документов на программу продлится до 14 августа.