Mikroorganizmalar Toprak Yapıların Dayanımını Artırıyor

İstanbul Bilgi Üniversitesi Mimarlık Fakültesi’nden Bölüm Başkan Yardımcısı Öğretim Üyesi Dr. Fulya Özsel Akipek, Genetik ve Biyomühendislik Bölümü’nden Bölüm Başkanı Prof. Dr. Hatice Gülen ve İnşaat Mühendisliği’nden Bölüm Başkan Yardımcısı Dr. Muammer Özbek, Mimarlık Bölümü Yüksek Lisans Öğrencisi Aydan Ataç’ın
tez çalışması kapsamında bir araya geldi. Çalışmada canlı mikroorganizmalar toprak yapı malzemesi ile birlikte kullanıldı. Araştırmaya göre mikroorganizmalar, sağlıklı ve ekolojik bir yapı tipi olan toprak yapıların dayanımını artırmada kullanılabilir ve toprak yapılara dönüşü sağlayabilir.

Yazı: Bulut BAGATIR

Projenin çıkış noktası ile başlayalım isterseniz. Bu bir yüksek lisans teziydi. Çalışmanın aşamalarını ve bu aşamaların evrimini anlatabilir misiniz?

Aydan Ataç (AA): İstanbul Bilgi Üniversitesi Mimari Tasarım Yüksek Lisans Programı’nda Robotic Earth Crafts (Robotik Toprak Zanaatı) isimli bir yaz okulu gerçekleştirildi. Bu stüdyoda, sıkıştırılmış toprak tekniğiyle oluşturacağımız blokların kalıplarını robot teknolojisi kullanarak ürettik ve kamusal alanda peyzajla ilişkili yapı elemanları tasarladık. Sonrasında bu araştırmayı daha ileri götürmek istedim ve Dr. Öğr. Üyesi Fulya Özsel Akipek hocam ile birlikte fikir alışverişi yaparak çalışmaları başlattık. Geleneksel bir toprak yapım tekniği olan sıkıştırılmış toprak tekniğini sayısal tasarım-üretim teknolojileri kullanarak bir adım öteye götürmeye çalıştık. Mikrobiyolojik canlılarla birlikte yapılan yeni mimari tasarım araştırmaları ile nasıl entegre edebiliriz, toprak yapıların dayanımını artırmak için kullanılan çimento gibi katkılar yerine bu yöntemle daha ekolojik hale nasıl getirebiliriz diye baktık.

Fulya Özsel Akipek (FÖA): Bilgi Üniversitesi Mimarlık Fakültesi’nde tasarım eğitimine gerçek ölçekli malzemelerle 1:1 ölçekli sistemler kurarak başlıyoruz. Dünyada iklim değişikliği, malzemelerin tüketimi, malzemenin doğadan elde edilmesi aşamasından itibaren doğaya yaptıklarımız gibi konular bu kadar ön plana çıkınca biz de kullandığımız malzemeleri sorgulamaya başladık. Yaparak öğrenme yaklaşımını akademisyenler olarak çeşitli üretimlerimizde de uyguluyoruz. Biz de akademik ortağım Yazar’la birlikte bulduğumuz her mimari üretim ortamında işi yapacak kadar maddi destek bulduğumuz anda, işi üretip teknolojileri deniyor, malzeme ve strüktür araştırmaları yapıyor ve deneyimlerimizi bilgiye çeviriyoruz ve öğrencilere aktarıyoruz. Böyle bir döngüsel sistem kurduk. Aslında toprak mimarinin potansiyelini anlamamız da bir mimarlık bienalinde başladı. Bir parkın içerisinde 1:1 ölçekte işler yapılacaktı. Burada biraz önce bahsettiğim endişelerden yola çıkarak, ekolojik bir yapı malzemesini ve sistemini günümüzün teknolojisi ile güncelleyerek bir parkın ortasına diksek, bununla ilgili bilinç oluşturabilir miyiz diyerek 4. Antalya Uluslararası Mimarlık Festivali’nde “Komükaksiyon Duvarlar” isimli bir duvar çalışması yaptık. Bu andan itibaren bu işin geleneği nedir, yeni teknolojilerle nasıl güncelleyebiliriz, fabrikada üretime nasıl taşıyabiliriz sorularıyla birlikte bu duvar, bir mimari sistem önerisi olarak ortaya çıktı.

Toprak mimari diyoruz ancak benzer çalışmalar fabrikada üretimin parçası olmaya başladığı anda içerisine ekolojik olmayan katkı maddeleri eklenebiliyor. Bizim bienaldeki duvar çalışmamızda demir donatı kullanıldı. Yurtdışındaki uygulamalarda genellikle çimento katıldığını gözlemledik. Aslında demir dönüştürülebilen bir malzeme ancak biz çözüldüğünde enerji harcamadan tamamen doğaya karışacak bir karışımı nasıl elde ederiz diye düşündük. Biz masif sistemi geometrik örüntülerle boşalttığımızda dayanımı daha da artırmak istesek doğa bilimlerinden nasıl yardım alabiliriz diye merak ettik. Bienalden sonra Aydan tezi için geldiğinde geleneksel toprak mimarisinin ekolojik mimari için çok iyi bir potansiyeli olduğunu konuştuk. Başka üniversitelerden toprak mimarisine ömrünü vermiş hocalarımızdan öğrendiklerimizle yeni teknolojilerdeki deneyimimizi bir araya getirerek toprak yapı malzemelerini geliştirecek ve çağdaş tasarımlarda kullanımını artıracak disiplinlerarası ve teknolojiye dayalı bir hamle yapalım fikri ortaya çıktı.

Biyomühendisliğin bu çalışmadaki rolü ne oldu? Çalışma kapsamında nasıl bir araştırma yürüttünüz?

Hatice Gülen (HG): Biyolojik yaklaşımlar geliştirmeye çalıştık. Kullanılan yapı malzemelerinde öncelik doğayla dost ve yenilenebilir olması biyolojik yaklaşımın ana temasını oluşturuyor. Bununla ilgili yapılmış olan bazı çalışmalar mevcut. Bu amaçla daha çok mikroorganizmaların kullanımı sözkonusu. Örneğin kendi kendilerini onaran betonarme yapılarda bakterilerin kullanımı gibi. Bu konudaki mevcut kaynakları araştırdık ve bizim araştırmamızda kullanabileceğimiz mikroorganizmaları tespit etmeye çalıştık. Bunun için de öncelikle hocalarımızın bu çalışma kapsamında oluşturduğu karışımın fiziksel ve kimyasal özelliklerini belirlemeye çalıştık. Buradaki en önemli faktör ortam asitliği veya bazlığı (pH derecesi), çünkü karışıma canlı bir organizma ekleyeceğiz ve o canlının orada yaşayıp çoğalabileceği bir ortam olması lazım. Çalışmada ilk olarak kullanmayı düşündüğümüz mikroorganizma için ortamın pH derecesi çok yüksek çıktı. Tabii ki yüksek pH derecesinde yaşayan bakteriler de var ve bunlarla ilgili bazı yapılmış çalışmalar mevcut. Ancak biz daha özgün olması bakımından bu çalışmada farklı bir mikroorganizma denemeyi tercih ettik. Onun üzerine bu amaçla kullanılabileceğini düşündüğümüz mikorizal fungusu (kök mantarlarını) denedik. Aslında bir çeşit mantar yapısı olan miselllerin kullanıldığı çalışmalar var. Mikorizal fungusun ise misel olarak çoğalan diğer funguslardan farklı olarak bitki köklerinin olduğu yerde büyüyüp çoğalan, bitki kökleriyle ortak bir yaşama sahip olabilen bir yapısı var. Çalışmada bunu kullanmaya karar verdik.

Yapının kentte gıda üretimine de bir katkısı bulunuyor mu?

FÖA: Evet, iddiası buydu. Bu önerdiğimiz mimari sistem sadece bir duvar değil, yenilebilir bitkileri ve şifalı otları büyütebileceğiniz, kentte gıda üretimine katkı veren bir bitki duvarı.

HG: Daha yeşil ve çevreci bir yaklaşıma sahip. Bahsettiğiniz şekliyle bu katkıyı sunma potansiyeli olan bir yapı. Kullanılan mikroorganizma bitki kökleriyle uyum içinde olacağı için Fulya Hocamın oluşturduğu ve Aydan’ın yaptığı bu yapısal blokta oluşturulan oyuklar içerisine bitki koyalım ve ortama eklediğimiz mikroorganizma bitkiyle bağlantıya girsin ve çoğalsın istedik. Çoğalırken de misellerle yayılma göstereceğinden bloka da tutunma özelliği olabilir düşüncesiyle bunun dolaylı yoldan blokun dayanımına olan etkisini test ettik.

FÖA: Baştaki planımız alker toprak karışımına doğrudan bu mikroorganizmayı katmaktı ancak hocamın söylediği engellerden, yani oluşturulan karışım ile mikroorganizmanın büyüme koşullarının örtüşmemesinden dolayı bunu deneyemedik. Duvar blokların içerisindeki bitki haznesinde bitkiyi besleyecek bir toprak var. Ona eklediğinizde iki bloğu karşılaştırdık ve dayanımın arttığını gözlemledik. Bu arada projemizin dayanım testleri kısmında Bilgi Üniversitesi İnşaat Mühendisliği Bölüm Başkan Yardımcısı Dr. Muammer Özbek hocamız destek oldu. Onun da vurguladığı gibi her ne kadar elde ettiğimiz sonuçlar ümit verici olsa da konuyu geliştirip olgunlaştırmak için pek çok kez deneme kurup test yapmamız gerekiyor. Öte yandan bu çalışma kapsamında disiplinlerarası yaklaşımla dünyaya ait gerçek meselelere çok daha hızlı ve etkili çözüm geliştirilebileceğine inanmış oldum.

HG: Biz de şu anda uyguladığımız mühendislik akreditasyonları ve mühendislik disiplini içerisindeki programımızda aynı yaklaşıma odaklanıyoruz. Karmaşık mühendislik problemlerine disiplinlerarası yaklaşımla sürdürülebilir çözümler üretmek gündemimizi oluşturuyor. Fulya hocamızla yaptığımız da bunun bir benzeri aslında. Bilgi Mühendislik ve Doğa Bilimleri Fakültesi bünyesindeki mühendislik programları arasında yaygınlaştırmaya çalıştığımız disiplinlerarası yaklaşımla projeler geliştirilmesi ve yürütülmesi konusu, bu çalışma çerçevesinde fakültelerarası bir platforma taşınmış oldu ve örnek teşkil etti.

Çalışmanın sonunda nasıl bir çıktı elde ettiniz?

AA: Aslında yaptığımız bir işleyiş ve süreç diyagramıydı. Disiplinlerarası olması gereken bu süreç nasıl işleyecek görmek istedik. Öncelikle alker ve sıkıştırma yöntemi ile biri kontrol bloğu olmak üzere iki adet sıkıştırılmış toprak blok ürettik. Deney bloğuna içerisinde mikorizal fungus bulunan nebati toprağı ekledik ve bitkiyi ektik. Hatice hocamızın laboratuvar imkanlarını kullandık ve kontrollü bir ortamda mikorizanın bitkiyle etkileşime girmesini sağladık. Kontrol bloğuna ise yalnızca nebati toprak ekledik ve nem seviyesini eşit tutmak için iki bloğu da süreç içerisinde eşit miktarda suladık. Dört haftalık gözlemleme süreci sonrasında ise deney bloğundaki bitkiyi kesip bu iki bloğu basınç testine tabii tuttuk. Mikorizal fungusun nebati toprak içerisinde bitkinin kökleriyle aktive olup gelişen miselleriyle toprağın yapısını sıkılaştırması gibi bir özelliği var. Bizim hayalimiz bu süreç sonunda toprak bloğun dayanımını da bu şekilde arttırması yönündeydi. Muammer hocamızın yardımıyla belirli parametrelerle üniversitemizde gerçekleştirdiğimiz basınç testleri de bu anlamda olumlu sonuçlandı ve mikorizal fungus eklediğimiz deney bloğunun kontrol bloğuna göre %25 daha dayanıklı olduğu gözlemlendi. Bu bir ön denemeydi ve bize ilham verdi. Tabii ki daha fazla deneme ve test yapılması gerekiyor.

Basınç testi sonrasında yapmış olduğumuz bir diğer gözlem ise mikorizal fungus eklemediğimiz kontrol bloğundaki nebati toprağın hazne içerisinde dağılması mikorizal fungus bulunan deney bloğundaki nebati toprağın ise sıkılaşarak haznenin şeklini almasıydı. Buradan yola çıkılarak ileride yapılacak bir çalışma için yeterli süre beklendiğinde mantar misellerinin bitki kökleriyle gelişerek yüzeye tutunması ve yüzey dayanımına olumlu katkısı olabileceği çıkarımı yapılabilir. Sayısal tasarım ve üretim teknolojileri kullanılarak yapılan geometrik araştırmaların sıkıştırılmış toprak yapım tekniği ile üretilmiş blokların yapısal dayanımını zorlayabileceği göz önüne alındığında bu yöntemle yüzey dayanımının artırılması avantaj sağlayabilir.

Çalıştığınız yapının uygulanabilirliği ne durumda? Endüstriyelleşme noktasında önünde ne gibi engeller bulunuyor?

FÖA: Mimarlık anlamında benim bildiğim en az iki öncü hoca var. İTÜ’de bu alanda bir toprak araştırma merkezi kuran Ruhi Kafesçioğlu hocamız var. Bilimsel projeler kapsamında tüm Türkiye’de dolaşıp köylerden toprak örnekleri toplayıp, toprak evlerin geleneksel yapım tekniklerini inceleyip, killi toprağa alçı, kireç ve benzeri maddeler katarak ürettikleri alker ismindeki bir yapı malzemesi var. Bu malzemeyle ne türde yapım sistemleri geliştirilebileceğini inşa ettikleri deneme evlerinde tecrübe etmiş ve yazdığı birçok kitapla bizlerle paylaşmış. Yine Ruhi hocamızla bir dönem çalışmış olan Bilge Işık hocamız da bu konuda uluslararası bir kerpiç ağı kurdu. Bilge hoca da bu sistemler endüstriyel hale nasıl getirilebilir üzerine kapsamlı araştırmalar yapıyor. Örneğin el aletleriyle sıkıştırma yerine shotcrete tekniklerini kullanıyor, hızı ve standardı artırıyor. Deprem dayanım testleri yapılıyor ve önerilen sistemler toprak mimarinin de doğru uygulandığında depreme daya nımı olan bir yapım sistemi olduğunu bilimsel olarak da ortaya koyuyor. Hocamızın kurucularından olduğu Kerpic Network geçtiğimiz Eylül ayında da bir uluslararası konferans düzenledi ve toprak mimari konusunda tüm dünyadaki uygulamalar ve bilimsel çalışmalar tartışıldı. Üstelik sempozyum da toprak mimarisi ile üretilmiş birçok amaçlı salon ve film platosu içinde gerçekleşti. Hocalarımız toprak mimarinin güncel kullanımları için reçeteleri ortaya koymuş durumda. Bize düşen de bu araştırmaları günümüz tasarım-üretim teknolojileriyle birleştirerek, sürdürülebilir kentler için yaygın kullanımlarını sağlamak.

AA: Tez süreci boyunca incelediğimiz örnek çalışmalara baktığımızda farklı mikroorganizmalar kullanılarak birçok mimari tasarım araştırması yapıldığını gördük. Ancak bu çalışmaların büyük çoğunluğunun laboratuvar ortamında kaldığını söyleyebiliriz. Canlı bir mikroorganizmayla çalışmak ciddi bir zaman ve emek gerektiriyor. Dolayısıyla bu araştırmaların hızlı ve nokta atışı sonuçlar veremeyebileceği ve standartlaştırma süreci nedeniyle de mimarların, tasarımcıların işlerine entegre edebilecekleri bir hale gelmelerinin zaman alabileceği söylenebilir. Bu anlamda bir zorluk olduğundan bahsedebiliriz.

FÖA: Ne bir ders kapsamında ne de bir yüksek lisans tezi kapsamında bu işin çözümünü tam olarak buldum diyemiyorsunuz. Buralarda bu fikirlerin ancak tohumunu atıp bu konuyu bir araştırma projesine dönüştürebilirsiniz. Hatta akademik platformda üretilen bilgi sanayi ile işbirliği sonucunda fabrikalarda denemelerle gerçek hayata katılabilir. Uzun bir süreç. Diyelim ki standartlaştırdık ve blok olarak ürettik. Yine de siz bunun tasarım açısından potansiyelini göstermezseniz bir mimar emin olduğu malzemeleri tercih eder. Biraz önce bahsettiğim bienaller de o tasarım uzayını genişletmek için önemli.

HG: Buradan belki yine doğaya dönmek lazım. Doğada daha keşfedilmemiş milyonlarca mikroorganizma var. Bu amaca yönelik olarak bu mikroorganizmalar tanımlanabilir veya sadece bunun için biyoteknolojik yöntemlerle mikroorganizma da geliştirilebilir. Bu şekilde belli mikroorganizmaların çoğaltılması noktasında ise, sektörel gelişime ve girişime ihtiyaç var. Ülkemizde maalesef bu anlamda sektör oldukça zayıf, neredeyse yok sayılır. Araştırma için bile bazen mikroorganizmaları yurtdışından getirmemiz gerekebiliyor. Bilimsel çalışmalarda tabii ki kaynağını bildiğimiz mikroorganizmaları kullanmamız gerekiyor. Zaten mevcut çalışmamızda da mikorizal fungusu çok zor elde ettik. Benim yürüttüğüm başka çalışmalarım için de gerekiyordu. Çukurova Üniversitesi’nden Prof. Dr. İbrahim Ortaç’tan temin ettim, hocamıza desteği için teşekkür ederim.

Sonraki çalışmalarınız bu bağlamda mı ilerleyecek? İleriki döneme dair planlarınız neler?

FÖA: Sürdürülebilir kentler için toprak yapıların kent içinde kullanımının artması ve yapım tekniğinin bazı performanslarının bu yönde geliştirilmesi gerekiyor. Bizim hedefimiz bu ön çalışmalar sonucunda netleşti. Üniversitemizde fakülteler arası çalışmayı desteklemek üzere araştırma geliştirme inovasyon (RDI) isminde yüksek bütçeli bir araştırma fonu açıldı. Ekibe bir yapı malzemesi uzmanı da alarak ve endüstri ile işbirliği yapıp, biyolojik katkılı toprak paneller üretmek üzere bu çalışmaya devam etmek istiyoruz. Bu kapsamda da fona başvurduk. Araştırmanın sonunda bir mimari prototip uygulama yapmayı ve öğrendiklerimizi bilimsel yayınlarla paylaşmayı da hedefliyoruz.