У древесины огромный потенциал - свойства древесины позволяют делать из нее полупроводники, батареи, сталь, бетон и даже пластик. Если древесина заменит другие виды сырья, ее нужно будет перерабатывать, но мы уже делаем это с такими материалами, как сталь, стекло и бетон. Так почему бы не воспользоваться возможностью вторичной переработки древесины?
Мы прошли через каменный век, бронзовый век, железный век и сейчас находимся в углеводородном веке. Но если немного поразмыслить, мы можем вступить в эпоху дерева.
Древесина, которая является возобновляемым материалом, обладает удивительным потенциалом. Полупроводники, батареи, сталь, бетон и даже пластик - все это можно заменить деревом. Мы даже сделали лазер из дерева. Уже сейчас самое высокое деревянное здание в мире высотой около 105 м - религиозный музей в Таиланде, который в настоящее время еще строится. Это примерно в два раза больше высоты студенческого общежития в Ванкувере, также построенного из дерева, и высотой около 18 этажей.
Если подумать о городской инфраструктуре, необходимой во всем мире к 2030 году, то на сегодняшний день построено лишь около трети от нее. Так что для дальнейшего роста деревянных сооружений есть много возможностей.
Если вам трудно в это поверить, позвольте мне сказать вам, что мы уже сделали древесину в три раза прочнее стали и почти такой же прозрачной, как стекло.
Конечно, хотя дерево легкое, прочное и гибкое, оно также может гнить и трескаться - поэтому, если мы хотим, чтобы дерево заменило другие материалы, нам придется его сильно переработать. Но уже сейчас нам приходится проводить огромную обработку различных видов сырья, чтобы в итоге получить сталь, стекло и бетон.
И как только мы сможем заменить строительные материалы древесиной, это позволит сократить глобальные выбросы парниковых газов примерно на миллиард тонн в год или примерно на 2-3%. Ключевым фактором станет устойчивое сельское хозяйство, обеспечивающее баланс между старовозрастной древесиной, средой обитания животных и населением. Но, видите ли, на нашей планете около трех триллионов деревьев. А для выращивания новых деревьев имеется от одного до шести миллиардов гектаров деградированных и недостаточно используемых земель.
Итак, давайте начнем с рассмотрения натуральной древесины. Она состоит из трех основных компонентов, каждый из которых обладает различными механическими и химическими свойствами.
Около 40% составляет наноцеллюлоза, или обычная целлюлоза - пучки прочных волокон, похожих на кевлар (который используется в пуленепробиваемых жилетах и высокоэффективных парусах). Мы, люди, ежегодно используем большое количество целлюлозы - примерно в 20 раз больше, чем объем ежегодно производимой стали. Целлюлоза уже используется в качестве заменителя нефтехимических продуктов в электронике, красках для подгузников и даже в косметике.
Далее, около 20-30% древесины составляет лигнин - разнообразная смесь органических химических веществ, довольно похожая на сырую нефть. В настоящее время мы тратим этот ценный ресурс впустую - либо сжигаем его, либо используем в качестве добавки для изготовления бетона. Однако лигнин имеет огромный потенциал для замены очень многих продуктов на основе нефти.
Большая часть остального - это гемицеллюлоза, химически похожая на крахмал или глюкозу. В настоящее время наши исследования по использованию гемицеллюлозы отстают, но существует огромный неиспользованный потенциал для замены пластмасс.
Итак, во-первых, как обработать натуральную древесину, чтобы сделать ее тверже стали?
Химики и материаловеды начинают с удаления части лигнина и гемицеллюлозы - кипятят натуральную древесину в растворе гидроксида натрия и сульфата натрия. Затем они сжимают ее, пока она еще горячая, примерно до одной пятой ее первоначального объема.
Это делает ее гораздо более плотной, но, что более важно, выравнивает большинство нановолокон целлюлозы друг с другом. Такая модифицированная древесина примерно в 11 раз прочнее и примерно в 30 раз тверже, чем натуральная. По показателю прочности на вес, эта модифицированная древесина превосходит легкий титановый сплав - это просто потрясающе. Плотно упакованная микроструктура модифицированной древесины также позволяет использовать ее для изготовления пуленепробиваемой брони.
Модифицированное дерево примерно в три раза тверже стали. Таким образом, из нее получается очень хороший нож, а также очень прочные гвозди, которые никогда не ржавеют - и при этом она сделана из абсолютно экологичных и перерабатываемых материалов.
Еще одно очень неожиданное применение свойства древесины - изготовление стекла. У стекла есть несколько проблем - оно хрупкое, не очень прочное и плохой изолятор. В США около четверти всей энергии, используемой для контроля температуры в зданиях, просто утекает через безнадежно неэффективные стеклянные окна.
Умные материаловеды выяснили, что лигнин, входящий в состав древесины, делает ее непрозрачной. Они придумали метод модификации лигнина с помощью простой перекиси водорода и ультрафиолета солнечного света, чтобы сделать его прозрачным.
Есть еще немного химии (частично с участием прозрачной эпоксидной смолы), прежде чем мы получим что-то очень прозрачное. (Учтите, это все еще не настолько идеально прозрачное и незамутненное дерево, как стекло, но дайте ученым еще немного времени и денег, и они добьются своего).
Однако эта прозрачная древесина в четыре раза лучше изолирует, чем высококачественное двойное стекло. И оно в 50 раз прочнее стекла, поэтому его можно легко использовать в качестве несущего материала в жилых домах и даже небоскребах. Кроме того, оно гораздо лучше, чем обычное стекло, блокирует ультрафиолет, поэтому ваши шторы не выцветут, а кожа не загорит.
Прозрачная древесина найдет применение в производстве солнечных батарей, оптико-электронных устройств, энергоэффективных строительных материалов и даже электронных сенсорных панелей.
Благодаря использованию устойчивых материалов, таких как дерево, для круговой экономики, путь вперед неожиданно кажется очень ясным.
