בנייני הבטון המתפוררים של אומת הסטארטאפ מעידים כי ישראל המודרנית יכולה ללמוד דבר או שניים מהטכנולוגיה הרומית העתיקה של לפני 2,000 שנה.

מבני הבטון הרומיים העתיקים שורדים אלפי שנים של רעידות אדמה, מזג אוויר קשה ואפילו מתחת למים – בלי להיסדק כמו שקורה באדריכלות הברוטליסטית הישראלית אחרי כמה עשורים בלבד.

זאת משום שהבטון הרומי מחזיק ביכולת ייחודית "לרפא" את סדקיו אחרי חשיפה למים, כך עולה ממחקר של קבוצת מדענים איטלקים ואמריקאים, שהצליחו לשפוך אור על התגובה הכימית המסייעת לבטון להעלים את סדקיו.

מידע חדש שהגיע מאיסוף דגימות שנלקחו משרידי בטון עתיק במרכז איטליה באמצעות מצלמות אינפרא־אדומות ושיטות מיקרו־ארכאולוגיות אחרות אפשר למדענים לייצר "בטון רומי" משלהם. במחקר הם רואים כיצד הדגימות שאספו "מעלימות" את הסדקים הנוצרים בתוך שבועות.

מבט על הקולוסיאום, רומא, אוגוסט 2022

חוץ מפתרון תעלומת המונומנטים הרומיים העמידים, המחקר יכול לעזור לתעשיית הבטון המודרנית – אחת התעשיות המזהמות ביותר בעולם – לייצר בטון בר קיימא

חלק מהמבנים הרומיים בישראל – בכלל זאת נמל קיסריה, חלקים מארמון הורדוס ביריחו וקבר משפחת הורדוס בירושלים – כוללים בטון הדומה לאותו בטון איטלקי. הבטון באתרים הללו נוצר, בין השאר, מאפר איטלקי מיובא הקרוי פוצולנה (Pozzolana), שהופק מאזור הסמוך לנפולי והובא לישראל באונייה.

חוץ מפתרון תעלומת המונומנטים הרומיים העמידים, המחקר יכול לעזור לתעשיית הבטון המודרנית – אחת התעשיות המזהמות ביותר בעולם – לייצר בטון בר קיימא הדורש פחות חומרים ופחות תחזוקה.

"הרומאים ידעו ליצור תערובות בטון לשימושים שונים", אמרה ד"ר לינדה סימור – המחברת המובילה של המחקר שפורסם בתחילת החודש בכתב העת המדעי היוקרתי "Science Advances" – בריאיון לזמן ישראל.

ד"ר לינדה סימור (צילום: באדיבות המצולמת)

לדבריה, הרומאים הגיעו לסוגי הבטון השונים הללו אחרי הרבה ניסוי וטעייה. "כבר בתקופה הפיניקית [1500 עד 300 לפני הספירה] הם ראו שאם מוסיפים חרס כתוש [הבטון] מצליח להיות יציב בתנאים שונים, כמו, למשל, עם יותר מים או אפילו מתחת למים.

"הם עברו מן אבולוציה של ניסויים עם אגרגטים [סוגי חצץ] שונים. הם ראו שכשהם השתמשו באגרגט וולקני [המבוסס על אפר וולקני] – הם הצליחו לבנות מבנים עוד יותר גדולים".

סימור – שמשמשת כיום כיועצת עצמאית לתעשיית הבטון – חקרה את הבטון הרומי העתיק במסגרת הדוקטורט שלה במכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס (MIT), והתעמקה במומחיותם של הרומאים ביצירת בטון שהותאם באופן מיוחד לכל מיקום ומטרה.

סוגי בטון מסוימים התגבשו במהירות ואפשרו לרומאים לבנות מבנים גדולים ומרשימים כמו כיפת הענק של הפנתיאון. סוגים אחרים התגבשו באיטיות, באופן אידיאלי ליצירת תעלות מים כמו זו שנמצאת ליד קיסריה

סוגי בטון מסוימים התגבשו במהירות ואפשרו לרומאים לבנות מבנים גדולים ומרשימים כמו כיפת הענק של הפנתיאון. סוגים אחרים התגבשו באיטיות, באופן אידיאלי ליצירת תעלות מים חלקות על אמות מים, כמו זו שנמצאת ליד קיסריה.

אבל אחד ההיבטים המרשימים של רבים מסוגי הבטון הרומי – וזה שהותיר את המדענים במבוכה עד לאחרונה – הוא שהבטון ממשיך להגיב למגע עם מים בצורה כימית גם אחרי שהתגבש, מה שמאפשר לו לאחות סדקים המתפתחים בו עם הזמן.

מבט על אמת מים רומית עתיקה בקיסריה, 8 בינואר 2006 (צילום: Horowitz/Flash90)

סימור והצוות שלה הצליחו לשחזר סוג של בטון הדומה לזה שנמצא בשרידים רומיים בפריוורנו, כ־100 קילומטרים מדרום־מזרח לבירת איטליה. החוקרים יצרו גלילי בטון רומי משלהם – ואז יצרו בדגימות סדקים זעירים ברוחב חצי מילימטר. כשהגלילים שוקעו במים זורמים למשך שבוע עד שלושה שבועות, הסדקים הצטמצמו ונאטמו. כעבור שנה, הסדקים נעלמו לחלוטין.

בטון עם אפר איטלקי מעובד

בטון מודרני עשוי מחצץ, חול ומים, שנקשרים יחד באמצעות חומר המליטה צמנט. רוב הבטון המודרני מכיל צמנט פורטלנד, שהומצא באנגליה במאה ה־19 ועשוי מתערובת של חומרים – כמו סידן, סיליקון, אלומיניום, ברזל, אבן סיד, קונכיות וגיר. התערובת מחוממת לטמפרטורה גבוהה במיוחד ואז נטחנת לאבקה דקה.

כדי לייצר צמנט מודרני יש לחמם את התערובת לטמפרטורה גבוהה מ־1,500 מעלות, דבר הכרוך בפליטות עצומות של גזי חממה. כל טונה מיוצרת של בטון יוצרת טונה של פליטות פחמן דו־חמצני.

אם תעשיית הבטון הייתה מדינה, היא הייתה השלישית בעולם מבחינת פליטות פחמן, אחרי ארצות הברית וסין. הבטון המודרני ידוע לשמצה גם בשבריריותו: הוא נסדק ומתפורר בתוך כמה עשורים בלבד

אם תעשיית הבטון הייתה מדינה, היא הייתה השלישית בעולם מבחינת פליטות פחמן, אחרי ארצות הברית וסין. הבטון המודרני ידוע לשמצה גם בשבריריותו: הוא נסדק ומתפורר בתוך כמה עשורים בלבד, בפרט אם הוא נרטב או נמצא בקרבת מים מלוחים, כפי שמעידה התפוררותם של מבני הבטון הברוטליסטיים הפופולריים בישראל.

נערה מזנקת למים מאמת המים הישנה של קיסריה, 30 בדצמבר 2019 (צילום: AP Photo/Ariel Schalit)

הבטון הרומי, בייחוד בסביבות ימיות כמו נמל קיסריה, ריתק את החוקרים בזכות עמידותו. הרומאים עצמם היו גאים במיוחד בבטון שלהם והותירו תיעוד נרחב של תערובות הבטון שיצרו. פליניוס הזקן תיאר באנציקלופדיית "תולדות הטבע" שלו מהמאה הראשונה לספירה תהליך שבמסגרתו אפר וולקני העורבב במים יוצר "אבן בלתי חדירה".

ב־2017 הפרופסור מארי ג'קסון, גיאולוגית מאוניברסיטת יוטה, עמדה בראש צוות שנעזר בתיאור של פליניוס הזקן לצורך מחקר פורץ דרך על בטון רומי ששימש לבנייה מתחת למים. המחקר העלה כי מי ים יוצרים תגובה כימית עם הבטון – בפרט עם האפר הוולקני שהוא מכיל – שמביאה לאיטום הסדקים.

בבניית שוברי הגלים של קיסריה נעשה שימוש מבריק ב"בטון הידראולי" דחוס, תערובת של מלט, פוצולנה איטלקית, אבן חול וסיד כבוי. לדברי פרופסור בועז זיסו – מומחה לתקופות הרומית, ההלניסטית והביזנטית מהמחלקה ללימודי ארץ ישראל וארכאולוגיה ע"ש מרטין (זוס) באוניברסיטת בר־אילן – בנמל קיסריה יש כ־35 אלף מטרים רבועים של בטון. 24 אלף מטרים רבועים מהבטון הזה עשויים מאפר פוצולנה.

מדובר ב־52 אלף טונות לפחות של אפר וולקני מיובא, כמות השקולה למטען של 100–150 אוניות גדולות, כך קבעו ארכאולוגים במחקר מוקדם יותר על בניית הנמל. "היו אוניות שהביאו חיטה מאלכסנדריה לאיטליה כי האיטלקים היו רעבים לחיטה מצרית. אנחנו מאמינים שבדרך חזרה למצרים האוניות כנראה הביאו את הפוצולנה", אומר זיסו.

מבט על קיסריה (צילום: ABRAHAM GRAICER, ויקיפדיה)

משום שהפוצולנה הייתה חומר מותרות, היא שימשה רק במיזמי הבנייה החשובים ביותר, כאלה שהיו קרובים במיוחד ללבו של הורדוס – כמו הקבר של משפחתו

משום שהפוצולנה הייתה חומר מותרות, היא שימשה רק במיזמי הבנייה החשובים ביותר, כאלה שהיו קרובים במיוחד ללבו של הורדוס – כמו הקבר של משפחתו – או שדרשו יכולות הנדסיות יוצאות דופן, כמו קיסריה.

"קיסריה היא סיפור מדהים", אומר זיסו, מפני שהמיקום הגיאוגרפי שלה לא בהכרח מתאים לנמל כי אין שם הגנה מהים הפתוח. זה היה רעיון של מלך עקשן עם אג'נדה שהלכה נגד חוקי הטבע".

לדברי זיסו, איכות העבודה בנמל קיסריה אינה מעודנת כמו במבנים רומיים אחרים. אולם, הסיבה לכך אולי נעוצה בכך שהפועלים המקומיים – שלא הכירו את החומרים המיובאים – ניסו לצקת בטון ללבנים בעודם מתנודדים באונייה באמצע הים הפתוח.

"הם נדרשו לבנות נמל בתנאים קשים, במקום לא מתאים לחלוטין", אומר זיסו. "אז חלק מהתמיכה [של רומא] בפרויקט הזה הגיעה בצורת אותה פוצולנה". רק בטון המיוצר מאפר פוצולנה ניחן באיכויות הריפוי העצמי שהצוות של סימור בחן בניסויים שלו.

מבט על אמת מים רומית עתיקה בקיסריה, 8 בינואר 2006 (צילום: Doron Horowitz/Flash90)

שרידים רומיים אחרים בארץ, כמו אפולוניה, בית שאן ומצדה, נבנו במקור בשיטות דומות לבנייה הרומית באיטליה, אבל על־ידי כוח עבודה מקומי ומחומרים מקומיים. בהכנת הבטון, הפועלים השתמשו בחומרים כמו חרס כתוש או צמנט כחומר מקשר.

למה יש בבטון הזה כתמים לבנים?

סימור והצוות שלה החלו לתהות מדוע בבטון שמצאו יש גושי סיד – או גרגירים לבנים עשירים בסידן – בין היתר משום שנראה כי גושי הסיד מגיבים בדרכים מוזרות (מבחינה כימית) בתוך הבטון.

"אחת התכונות החמקמקות של הבטון הרומי הוא הבנת סדר הפעולות המדויק – איך ייצרו אותו ואיך ייצרו אותו בקנה המידה הנדרש", אומרת סימור. "יש הרבה כתבים היסטוריים על המרכיבים שלו אבל קשה לשחזר אותו במעבדה.

"אחד הדברים שראינו במחקרים הקודמים, בייחוד בבטון רומי בסביבות ימיות, הוא שגושי הסיד האלה הם די שכיחים – ונראה שהם הגיבו באופן חלקי או מלא במשך הזמן – והשתנו".

מפת יסודות מוגדלת (סידן: אדום, סיליקון: כחול, אלומיניום: ירוק) של פיסת בטון רומי עתיק בגודל שני ס"מ שנלקחה מהאתר הארכאולוגי בפריוורנו (צילום: באדיבות לינדה סימור)

המחקר היה בעיצומו כשסימור השתתפה בחילופים בין מדענים ישראלים למדענים מ־MIT במסגרת MISTI, יוזמת המדע והטכנולוגיה הבינלאומית של MIT ב־2018. סימור ביקרה בחפירות ארכאולוגיות ליד רחובות, המנוהלות על ידי פרופסור סטיבן ויינר ממכון ויצמן, המייסד והמנהל של מרכז קימל למדעי הארכאולוגיה.

סימור נדהמה כי החוקרים הישראלים בשטח משתמשים בספקטרוסקופיית פורייה (FTIR) באמצעות מצלמה מתקדמת הקובעת כיצד קרני אינפרא־אדום נספגות בחומר – וכך יכולים ללמד על "טביעת האצבע" הייחודית של ההרכב הכימי של החומר.

מדובר בשיטה פופולרית במיקרו־ארכאולוגיה, אבל הצוות של סימור ב־MIT עדיין לא השתמש בה לחקר הבטון הרומי שלו. כשסימור חזרה למעבדה בבוסטון – הצוות שלה בחן כמה דגימות באמצעות אותה שיטה כדי לאפיין טוב יותר את הסידן הפחמתי שבבטון. הדבר סייע להם להבין טוב יותר את ההרכב הכימי שלו.

הצוות שיער שהרומאים ככל הנראה השתמשו ב"ערבוב חם" ליצירת הבטון מהסוג הזה המכיל חול, אפר וולקני ואבן סיד שרופה. כשמוסיפים לתערובת הזו מים, מתרחשת תגובה כימית שמביאה אותה לטמפרטורה של 200 מעלות צלזיוס. התהליך הזה גם משאיר בבטון גרגירים לבנים זעירים אך נראים לעין, העשירים בסידן.

מבט על הקולוסיאום, רומא, אוגוסט 2022

אם הבטון נסדק ומים חודרים פנימה – המים ממוססים את חלקיקי הסידן והם מתגבשים מחדש לאורך החריץ ואוטמים אותו לאורך זמן. התגובה הזאת בין המים לחלקיקי הסידן היא מה שמקנה לבטון את יכולת הריפוי

עם חלוף הזמן, אם הבטון נסדק ומים חודרים פנימה – המים ממוססים את חלקיקי הסידן הללו והם מתגבשים מחדש לאורך החריץ ואוטמים אותו לאורך זמן. התגובה הזאת בין המים לחלקיקי הסידן היא מה שמקנה לבטון את יכולת הריפוי העצמי שלו.

ארכאולוגיה בלתי נראית לעין

פרופסור ויינר ממכון ויצמן הוא אחד החלוצים בתחום המיקרו־ארכאולוגיה – ואחד המדענים הראשונים שהביאו מיקרוסקופים מתקדמים וציוד מעבדה לאתרי חפירות לצורך ניתוח בזמן אמת.

ויינר החליט להביא מכשירי ספקטרוסקופיה אינפרא־אדומה לשטח בשנות ה־90 בשאיפה להבין את ההרכב הכימי של חומרים שונים ואת הסיפור שהחומרים האלה יכולים לספר על חיי היום־יום.

פרופ' סטיבן ויינר (צילום: באדיבות המצולם)

לדברי ויינר, השימוש בציוד המעבדה בשטח חשוב מפני שהחומר עם המידע, כמו חלקיקי מלט או אפר, מוּסר לעתים במהלך החפירות. כשהציוד נמצא בהישג יד, ניתן לקבוע בתוך דקות ספורות אם חומר מסוים הוא שימושי ואם החפירה צריכה להתקדם בצורה אחרת.

המעבדה של ויינר מפעילה מדי קיץ בית ספר שדה עבור תלמידי תואר שני ושלישי מכל העולם, שבמסגרתו נחשפה סימור לראשונה לבדיקות שבוצעו באתר ב־2018. ויינר גם מוקסם מהסיפורים המצויים בחומר שמחזיק את האבנים יחד.

"מלט היה התפתחות אדירה ואחד החומרים הראשונים שיוצרו באופן סינתטי על־ידי בני אדם", הוא אומר. "ברגע שהם עשו את זה – הם יכלו לעשות כל מיני דברים".

כל הדרכים לרומא סלולות בצמנט פורטלנד… לעת עתה

סימור מנסה עתה ליישם את הידע הרומי העתיק על ייצור בטון מודרני, בתקווה שתעשיית הבטון תוכל לשחזר חלק ממנגנוני הריפוי העצמי שהרומאים שכללו. "אחד הדברים שאנחנו בוחנים הוא ההבנה לגבי מנגנוני העמידות של הבטון הרומי כדי לייצר חומרים טובים יותר לעתיד.

סימור מנסה עתה ליישם את הידע הרומי העתיק על ייצור בטון מודרני, בתקווה שתעשיית הבטון תוכל לשחזר חלק ממנגנוני הריפוי העצמי שהרומאים שכללו

"זה נוגע לקיימות, מפני שמבנים עמידים יותר מצריכים פחות עבודה ופחות חומרים לתחזוקה". פרופסור אדמיר מאשיץ' מ־MIT, המנחה של סימור ושותף לכתיבת המאמר, רשם פטנט על מחקר הבוחן כיצד בטון מודרני יכול לשמור על שלמותו המבנית תוך שילוב תכונות של ריפוי עצמי.

שרידים עתיקים באתר פורום נרבה, רומא, אוגוסט 2022

מאשיץ' הוא גם מייסד שותף של חברה בשם DMAT, שמנסה ליישם את השיטות הללו. סימור משמשת כעת כיועצת למגזר הפרטי של תעשיית הבטון. היא מתמקדת בחומרים צמנטיים משלימים או בחומרים שניתן להוסיף לבטון כדי להחליף חלק מהצמנט פורטלנד.

המטרה שלה היא להפוך את הבטון לידידותי יותר לסביבה, על בסיס השיטות הרומיות. "חשוב לציין שהמחקר הזה פותר רק חלק קטן מחידת העמידות של הבטון הרומי", מוסיפה סימור.

"היו כל כך הרבה תערובות שונות שהרומאים השתמשו בהן על פי המיקום והשימוש, שאולי לעולם לא נכיר את כל התהליכים שמתרחשים עם החומר הזה. יש לנו כל כך הרבה ללמוד על האופן שבו התהליכים האלה פועלים".

הריאיון עם סימור נערך ביום הביקור הראשון שלה בארץ – ויום לפני ביקורה הראשון בקיסריה, עיר הנמל העתיקה שנבנתה על ידי הורדוס הגדול בסביבות 25–13 לפני הספירה. "אמות מים הן המבנה הרומי האהוב עליי", היא אומרת. "אבל ראיתי רק אמות מים ברומא ובנפולי, אז זאת באמת הזדמנות לראות איך יצרו את החומר והשתמשו בו בהקשר שונה לגמרי".

הפנתאון ברומא (צילום: Roberta Dragan, ויקיפדיה)

המטרה שלה היא להפוך את הבטון לידידותי יותר לסביבה, על בסיס השיטות הרומיות. "חשוב לציין שהמחקר הזה פותר רק חלק קטן מחידת העמידות של הבטון הרומי"

בעיני סימור, אחד הדברים המרתקים בבטון הרומי הוא שבכל מקום שנעשה בו שימוש ההרכב שלו מעט שונה, מותאם באופן ייחודי למטרה ולמיקום הספציפיים, זאת בזמן שהוא שומר על אותן תכונות המאפשרות לו להחזיק מעמד אלפי שנים.

"הייתי יכולה לחקור את זה במשך כל חיי ועדיין לגלות סוגים חדשים [של תערובות]", היא אומרת. "אני עדיין מלאת התפעלות מהמניפולציות שהם הצליחו לבצע בחומר ומהשליטה שהייתה להם בחומר".