Оценка конструкций фотобиореакторов для возможного применения в системах фасадов с микроводорослями

Живые стены, которые дышат

Представьте, что стены здания могли бы тихо очищать воздух, помогать в борьбе с климатическими изменениями и даже производить полезные «зелёные» продукты, одновременно пропуская дневной свет. В этом исследовании как раз изучается такая идея — тестируются новые «живые» оконные системы, заполненные микроскопическими водорослями. Авторы поставили перед собой задачу спроектировать и оценить компактные заполненные водой реакторы, которые однажды можно было бы встроить в фасады, превратив обычные здания из пассивных потребителей энергии в активных участников улучшения окружающей среды.

Крошечные растения с большим потенциалом

В основе концепции лежит одноклеточная зелёная микроводоросль Chlorella vulgaris. Эти микроскопические организмы быстро растут, хорошо переносят простые питательные растворы и чрезвычайно эффективно поглощают углекислый газ из воздуха — намного быстрее, чем деревья в расчёте на единицу массы. Размещённые в прозрачных ёмкостях на внешней стороне здания или прямо на окнах, они используют солнечный свет для роста и производства кислорода, одновременно фиксируя углерод в своей биомассе. Эту биомассу затем можно собирать и использовать в продуктах — от биополимеров до специализированных химикатов, — превращая каждую панель фасада в маленькую автономную «зелёную фабрику».

Новые формы реакторов для реальных зданий

Чтобы превратить идею в практику, команда сконструировала и испытала несколько компактных фотобиореакторов — прозрачных сосудов, специально разработанных для выращивания микроводорослей при естественном дневном свете. Они сосредоточились на двух основных формах, подходящих для типичных строительных пространств: вертикальные колонны, которые можно разместить в узких углах, и плоские панели, устанавливаемые перед большими окнами. Оба типа выполнены из прозрачных прочных пластиков, чтобы снизить затраты и упростить монтаж. В некоторых реакторах были добавлены внутренние структуры — например, спиральная вставка внутри колонны или наклонные пластиковые «листья» и S‑образные листы внутри плоских панелей — с целью улучшения распределения света, питательных веществ и воздуха в культуре.

Как простая спираль увеличивает рост

При испытаниях на университетском кампусе в Турции одна конструкция явно выделялась: колонна со спиральным дефлектором. Воздух подавался снизу, образуя пузырьки, которые направлялись вверх по спиральному пути. Это мягкое закручивание предотвращало слияние пузырьков в крупные карманы, равномерно перемешивало водоросли и способствовало попаданию света к большему числу клеток по всему объёму реактора. В результате эта конструкция показала наибольшие показатели по числу клеток и биомассе — примерно 1,8 грамма сухих водорослей на литр, что примерно в 1,5–1,8 раза больше, чем в плоских панелях или простых колоннах. Дополнительным преимуществом стало то, что значительная часть водорослей росла прямо на поверхности спирали, что облегчало сбор: достаточно было вынуть и соскоблить вставку, сократив энергоёмкие этапы разделения.

Учёт скрытого следа

Поскольку «зелёные» технологии не всегда означают низкие выбросы, исследователи также оценили экологическое воздействие наиболее эффективного реактора с помощью оценки жизненного цикла. Они проследили ресурсы, необходимые для производства одного грамма водорослей — от питательных веществ и воды до электроэнергии для компрессоров и центрифуг. Материалы самого реактора рассматривались как многократно используемое оборудование. Анализ показал, что почти всё климатическое воздействие — около 0,93 кг CO₂‑эквивалента на грамм биомассы в этой маломасштабной установке — связано с потреблением электроэнергии, особенно для аэрации. Иными словами, «чистота» энергосети во многом определяет, насколько климатически выгодными могут быть такие системы. Авторы также оценили простые экономические показатели и выяснили, что спиральная колонна давала биомассу по самой низкой цене среди протестированных дизайнов благодаря более высокой урожайности и упрощённому сбору.

От лабораторных окон к зелёным городам

Проще говоря, работа показывает, что тщательно сконструированные оконные модули, заполненные водорослями, могут помочь зданиям очищать внутренний воздух, улавливать углерод и производить полезную биомассу — особенно при питании от возобновляемой электроэнергии. Конструкция со спиральной колонной продемонстрировала, что небольшое изменение в том, как воздух и жидкость движутся внутри реактора, может значительно повысить рост и упростить обслуживание. Хотя исследование проводилось в малом масштабе и текущие выбросы электроэнергии в Турции относительно велики, масштабирование с более эффективным оборудованием и «зеленой» энергией может существенно снизить углеродный след. Встраиваемые в фасады в виде модульных блоков, такие «живые» панели могут стать практичным инструментом для более экологичных кампусов и городов, поддерживая широкие климатические цели, такие как Европейский зелёный курс и стремление к нулевым выбросам в зданиях.

Цитирование: Tekin, Z., Al-Hammadi, M., Çalişkan, G. et al. Evaluation of photobioreactor designs for potential application as microalgal façade systems. Sci Rep 16, 11871 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42461-8

Ключевые слова: фасад с микроводорослями, конструкция фотобиореактора, Chlorella vulgaris, биотехнологии, интегрированные в здания, оценка жизненного цикла