Геоника

Геоника (геомиметика) — подход к созданию материалов, композитов, архитектурных ансамблей, произведений искусства и т. д., при котором идея, технологические схемы и др. заимствуются при изучении геологических и космохимических процессов, минералов, горных пород, видов складчатости и т. д. с целью создания новых композитов и оптимизации системы «Человек-материал-среда обитания».

Цель геоники (геомиметики) — решение инженерных задач с учетом знаний, полученных при исследовании геологических и космохимических процессов.

Направление геоника (геомиметика) в строительном материаловедение обобщает все накопленные теоретические и практические знания о геологических процессах, законах и их применение при производстве строительных материалов. Реализация теоретических положений и системный подход к решению проблем, позволили разработать методологические основы создания эффективных строительных композитов нового поколения.

Задачи направления

• оптимизация системы «человек-материал-среда обитания»;
• освоение и строительство подземных пространств;
• проблемы развития (существования) органического и неорганического мира;
• разработка алгоритмов и моделей создание и управления объектами неорганического мира;
• использование энергетики геологических и космических процессов;
• разработка новых технологий получения минералов и композитов.

История геоники (геомиметики)

Изучением и копированием природных процессов человечество занимается с древних времен. Первые шаги в этой области были сделаны благодаря одной древней науки — Алхимии. Алхимия, как и философия, «вместила в себя» множество наук — это одна из древнейших наук, которые ведомы человечеству. В первую очередь цель алхимиков состояла в том, чтобы воспроизводить в лаборатории, процессы в максимально возможной степени, которые происходят в природе естественным путём на Земле.

Первая мысль о необходимости систематизации знаний об геологических процессах и их применения для создания строительных материалах возникла более 35 лет назад, при изучении пород вскрыши месторождений Курской магнитной аномалии. Решение проблемы было связано с перспективностью внедрения новых специальных методик анализа новых видов сырья и выяснением многих концептуальных вопросов по созданию новых технологий.

Первые исследования по копированию геологических процессов начались в начале XX века. В середине столетия появляется целая отрасль синтеза искусственных минералов (алмазы, сапфиры, кварц и т. д.) технология производства которых основывается на копировании геологических процессов. С середины XX века успешные работы по промышленному синтезу алмазов ведутся в ряде стран. В нашей стране работу данном направлении возглавил В. Н. Бакуль и академик Л. Ф. Верещагин.

Начавшийся с середины XX века процесс объединения наук привел к появлению целого рода новых научных направлений (геохимия, биотехнология и т. д.). Так появляются новые направления кибернетики — бионика и геоника.

Этимология термина геоника (геомиметика) требует специальных исследований. Например автором кибернетики считается американский математик Норберт Винер, однако употребление термина кибернетика встречается в трудах древнегреческого философа Платона.

В 1982 году в свет выходит книга «Геология и живая природа» автора Г. С. Франтова. В книге обобщаются результаты наблюдений за живой и неживой природой, сопоставляются процессы и явления, происходящие в живых организмах с процессами происходящими в неживой природе. Автор приходит к заключению, что по аналогии с бионикой возникает — «геологическая бионика» или «геоника» [1].

Спустя шесть лет, в 1989 году, в печати появляется статья: «К проблеме оптимизации состава и строения строительных материалов» в которой представляются предпосылки нового научного направления — «…представляется, что эта проблема может стать предметом исследования геоники — нового научного направления на стыке строительных материалов — петрологии и минералогии, изучающей генезис, особенности вещественного состава и строения горных пород» [2].

В 1993 году в Чехии создается институт Geonics AS CR. Созданный институт является одним из научно-исследовательских институтов Академии наук Чешской республики, которая относится к разделу наук о Земле.

В 2008 году, в Известиях Томского политихнического университета, публикуется статья «Синергитические принципы создания строительных и композиционных материалов полифункционального назначения» автора В. И. Верещагина. В статье рассматриваются различные аспекты приложения геологических и геохимических знаний к разработке технологий искусственных материалов с заранее заданными свойствами [3].

Верещагин В. И. формулирует геонику через бионику: «…представляется, что назрела необходимость в выделении подобного направления в геологии, когда на основе глубокого обобщения, всестороннего изучения и использования фундаментальных геологических и геохимических знаний закономерностей формирования структур объектов естественного происхождения можно разрабатывать технологии искусственных материалов полифункционального назначения». Подобный подход сформулировал Г. С. Франтов и описал в книге «Геология и живая природа». Автор статьи формулирует положения геоники, спустя 30 лет после первых публикаций в этой области [1].

Окончательная формулировка нового научного направления — геоники (геомиметики) была озвучена на годичном собрании центрального регионального отделения Российской академии архитектуры и строительных наук (Россия, г. Тамбов, 2012 г.) и на ученом совете института экспериментальной минералогии РАН (Россия, г. Черноголовка, 2012 г.).

Основные положения геоники (геомиметики) были доложены на международной конференции по строительным материалам (18. ibausil), в Институте строительных материалов им. Ф. А. Фингера (FIB) университета Bauhaus-Universität, г. Веймар [4].

В ноябре 2012 г. проведена первая Международная научная конференция «Геоника. Пути развития строительного материаловедения, энергосбережение, экология», а в сентябре 2013 г. международная научная конференция «Эффективные композиты для архитектурной геоники». В мероприятиях приняли участие ведущие ученые России, Германии, Франции и стран СНГ. Академик Российской академии архитектуры и строительных наук, профессор, Ю. М. Баженов отмечал: «Когда начинается что-то новое, это трудно принять, но я уверен, что через несколько лет многие вузы и ученые будут заниматься геоникой. Убежден, что это направление заинтересует молодежь!»

Примеры реализации

Самыми простыми примерами геоники (геомиметики) являются: аналог бетона на крупном заполнителе — это конгломерат, аналог мелкозернистого бетона — это песчаник, затирка коренных отложений водными потоками — штукатурка стен в зданиях и сооружениях и так далее. Но создавая строительные материалы невозможно пока добиться качества и свойств природных аналогов. На основе подражания природным процессам мы разработали широкую номенклатуру материалов, с использованием горных пород.

В 20 веке на основе информации полученной при исследовании геологических процессов разработаны технологии синтеза минералов различного назначения. Существует целая отрасль синтеза исключительно минералов (алмазы, сапфиры, кварц и т. д.) технология производства которых основывается на копировании геологических процессов. Одним из таких примеров описан в работе А. В. Боброва и Ю. А. Литвина. Основная цель этих исследований — это воссоздание условий (реконструкция химического и фазового состава материнской среды и т. д.) для понимания процессов, протекающих в земной коре при образовании алмазов.

Применив знания о происхождении, химическом и минералогическом составе традиционного сырья, использующегося при создании строительных материалов, решаются актуальный на сегодняшний день вопросы, связанные с использованием нетрадиционного сырья для создания строительных материалов, которые есть в «законсервированном» состоянии в земной коре, попутно добываемых и отходов горно-обогатительных комбинатов. Эта концепция апробирована на различных горных породах генетической классификации, причем, некоторые горные породы из Латинской Америки, Южной Африки, Европы и многих регионов Российской Федерации, в том числе на сырьевых ресурсах Курской магнитной аномалии.

Разрабатываются технологии производства строительных материалов беря за основу синтез вещества (минералов и горных пород) за счет энергоемких производств. Как и в природе получаем материал за счет обжига, давления, гидротермального производства и т. д. Самый эффективный стеновой (теплоизоляционный и конструкционно-теплоизоляционный) материал — ячеистый бетон — это копия пород вулканического генезиса (пемзы, туфа). Уже в древние времена люди строили из вулканических пород сооружения. В наше время такой вид строительного материала относится к энергосберегающему.

Появление и внедрение инновационных технологий, связанных с энергосбережением в строительстве и материаловедении, открывает новый вид строительства и эксплуатации зданий, воздействие которого на окружающую среду минимально — это «Зеленое строительство». Его целью является снижение уровня потребления энергетических и материальных ресурсов на протяжении всего жизненного цикла здания: от выбора участка по проектированию, производства строительных материалов, строительству, эксплуатации, ремонту, разрушению и повторному использованию при производстве строительных материалов.

Использование знаний о минералогическом происхождении природного сырья, используемого при создании строительных кладочных материалов, был сформулирован «принцип сродства структур», на основе которого подобраны составы сухих строительных смесей для внутренне и внешней отделки стен зданий. Благодаря этой концепции, решилась проблема несовместимости использования отделочных материалов с кладочными материалами используемых при создании зданий и сооружений.

Исходя из разработанной концепции, предложена генетическая классификация горных пород как сырья для производства строительных материалов в зависимости от свободной внутренней энергии. Свободная внутренняя энергия определяется дефектностью кристаллической решётки, включением минералообразующей среды, газовоздушной фазы и т. д., которые образовались в горной породе миллионы, сотни миллионов, а иногда даже миллиарды лет назад. Подобно тому, как таблица Менделеева позволяет классифицировать химические элементы в зависимости от заряда их атомного ядра, система энергоемкости позволит классифицировать материалы в зависимости от их свободной внутренней энергии. В зависимости от внешних условий (физико-химических факторов) каждая порода обладает своим энергетическим запасом. И если научиться использовать этот запас можно получить при сравнительно небольших затратах хороший качественный строительный материал.

Архитектурная геоника

Предложено направление «Архитектурная геоника». Это создание архитектурных ансамблей с учетом результатов и воздействий геологических и косвенных химических процессов на неорганический мир. Известно, что природа — это прекрасный архитектор и в результате деятельности геологических и космохимических процессов создаются уникальные по красоте, цвету, формообразованию объекты неорганического мира, которые могут стать предметом для подражания архитекторов при создании архитектурных ансамблей.

Известно направление «Архитектурная бионика». Это когда архитекторы в качестве подражания используют объекты органического мира. Например, шишка и небоскреб Мэри-Экс в виде шишки, моллюск и Сиднейский оперный театр в Австралии, так напоминающий по форме это создание органического мира. А вот объекты неорганического мира, в качестве предмета для подражания при создании архитектурных ансамблей, более многочисленны.

Геологические объекты могут служить прообразом создания малых архитектурных форм и архитектурных ансамблей в целом — структура химических соединений и элементов, структура кристаллической решетки минералов, форма кристалла и так далее. Элементы космической тематики — это и спутники планет, звездные системы, формы космических объектов, цветовая гамма и так далее. Например, визитной карточкой Брюсселя является знаменитый Атомиум. Эта архитектурная форма является прообразом в 64 млрд раз увеличенной структуры железа. Друза кварца является прообразом для создания архитектурного ансамбля в США. Проект «Азиатские пирамиды» по форме напоминает гальку. Небоскреб в Дубае Бурдж-Халифа, это самое высокое здание в мире, напоминает сталагмит пещеры [7].

Новое научное направление решает не только практические вопросы организации среды обитания, создания конструктивных элементов, форм, пространства и др., но и способствует улучшению эмоционального состояния человека, стимулированию творчества, гармонизации функций, чувственных ассоциации и в целом оптимизации триады «человек-материал-среда обитания».

Новые взгляды геоники (геомиметики)

• снижение энергоемкости производства строительных материалов за счет использования энергетики геологических и космохимических процессов;
• интеллектуальные композиты;
• принцип сродства структур;
• проектирование эффективных композитов.

Литература

1. Франтов Г. С. Геология и живая природа (Уровни организации вещества, бионика и геоника, клетки и газово-жидкие включения). — Л.: Недра, 1982. — 144 с.
2. Лесовик В. С. К проблеме оптимизации состава и строения строительных материалов / В. С. Лесовик // Всесоюзная конференция. Фундаментальные исследования и новые технологии в строительном материаловедении. Часть 4. Белгород, 1989. — с. 12.
3. Zum Problem der Forchung des System Mensch-Stoff-Umwelt / W.S. Lesovik, A.М. Gridchin. — 12. Ibaus. Internationale Baustofftagung. Weimar, 1994.
4. Верещагин В. И. Синергетические принципы создания строительных и композиционных материалов полифункционального назначения / В. И. Верещагин, Л. И. Рихванов, Ю. С. Саркисов, Ю. Ф. Асосков, А. А. Смирнов // Известия Томского политехнического университета. — 2009. — Т. 351. — № 3. — С. 12-15.
5. Лесовик В. С. Снижение энергоемкости производства строительных материалов за счетиспользования энергетики геологических и техногенных процессов / — 18. Ibaus. Internationale Baustofftagung. Weimar, 2012.
6. Геоника. Предмет и задачи: монография / В. С. Лесовик. — 2-е изд., доп. — Белгород: Изд-во БГТУ, 2012. — 219 с.
7. Лесовик В. С. Архитектурная геоника / В. С. Лесовик // Жилищное строительство. 2013. № 1. С. 9-12.
8. Геоника (геомиметика). Примеры реализации в строительном материаловедении: монография / В. С. Лесовик. Белгород: Изд-во БГТУ, 2014. — 206 с.
9. Геоника (геомиметика) как трансдисциплинарное направление исследований / В. С. Лесовик // Высшее образование в России. 2014. № 3. С. 77-83.