Amerikkalaisten tutkijoiden kehittämä kaava hyödyntää fossiilisia organismeja ja huipputeknologiaa luodakseen kevyempiä ja kestävämpiä rakenteita, samalla kun se auttaa torjumaan ilmastonmuutosta jo arkkitehtonisen prosessin alkuvaiheessa.
Sisällysluettelo
Uuden sukupolven betoni lupaa muuttaa rakentamisen ottamalla talteen enemmän hiiltä ja vähentämällä materiaalien käyttöä bioteknologian ja tarkkuuden 3D-tulostuksen avulla
Pennsylvanian yliopiston tutkijaryhmä on saavuttanut merkittävää edistystä kestävien rakennusmateriaalien kehittämisessä innovatiivisen betonin avulla, joka sitoo 142 % enemmän hiilidioksidia kuin tavalliset seokset.
Yliopiston joulukuussa 2024 julkaiseman raportin mukaan avain tähän ratkaisuun on diatomitin lisääminen ja 3D-tulostuksen käyttö, mikä mahdollistaa investointien vähentämisen ja rakenteellisen eheyden säilyttämisen. Uutinen, joka julkaistiin ja laajennettiin Advanced Functional Materials -lehdessä, esittelee tämän uuden betonin vaihtoehtona, joka voi minimoida teollisuudenalan ympäristövaikutukset .
Pennsylvanian yliopiston mukaan betonin tuotanto vastaa lähes 9 % maailman kasvihuonekaasupäästöistä. Tämän tilanteen edessä tiedeyhteisö ja suunnittelijat ovat tehostaneet puhtaampien ja tehokkaampien ratkaisujen etsimistä, joita voitaisiin ottaa käyttöön ilman, että se heikentää toimivuutta tai kestävyyttä.
Tämä kehitys vastaa kasvavaan kysyntään ympäristöystävällisistä ratkaisuista suurissa projekteissa ja esittelee luonnollisia komponentteja ja teknologioita, jotka muuttavat perinteistä käsitystä betonista.
Pennsylvanian yliopisto johtaa tutkimusta kestävien rakennustekniikoiden alalla edistämällä ratkaisuja, joissa yhdistyvät tiede, suunnittelu ja ympäristövelvoitteet uusien arkkitehtonisten materiaalien kehittämisessä
Miksi betonin hiilijalanjälki huolestuttaa alaa
Koko pitkän historiansa ajan, muinaisista ajoista lähtien, betoni on ollut kultturakennusten ja sivilisaation rakenteiden perustana. Sen laaja käyttö kuitenkin lisää merkittävästi globaaleja päästöjä, kuten yliopisto on toistuvasti korostanut.
Tästä syystä insinöörit, arkkitehdit ja tutkijat ovat päättäneet keskittää ponnistuksensa klassisten kaavojen uudelleentarkasteluun, jotta voidaan luoda seoksia, jotka ovat kestäviä mutta kykeneviä sitomaan aktiivisesti hiiltä.
Uuden kehityksen takana oleva tiimi on koonnut eri alojen asiantuntijoita luomaan ainutlaatuisen yhdistelmän materiaaleja ja prosesseja. Heidän päätavoitteenaan oli luoda betoni, joka säilyttää tärkeimmät rakennusominaisuudet ja samalla vähentää ympäristövaikutuksia hiilidioksidin talteenotto- ja mineralisointimenetelmillä.
Betonin päästöjen vähentäminen on ratkaisevan tärkeää, kun otetaan huomioon sen vaikutus ilmastokriisiin ja keskeinen rooli globaalissa infrastruktuurissa, mikä kannustaa etsimään vähemmän saastuttavia vaihtoehtoja
Diatomiitti ja luonnosta inspiroidut geometriset muodot
Tämän innovaation perustana on diatomiitin käyttö – huokoinen materiaali, joka saadaan kivettyneistä mikrolevistä ja joka tarjoaa ainutlaatuisen tekstuurin. Tämä materiaali parantaa tulostuksen vakautta ja lisää CO2:n reaktioalueita. Pennsylvanian yliopistossa selitettiin, että saatu mineralisoitu seos vaatii vähemmän sementtiä, mikä parantaa sekä ekologista tasapainoa että uusien rakenteiden paino-lujuussuhdetta.
3D-tulostuksen käyttö oli ratkaisevassa roolissa kaavan parantamisessa. Kun-Hao Yu , pää tutkija Shu Yangin ryhmässä, viimeisteli betonin ”musteen” koostumuksen säätämällä parametreja, kuten veden suhdetta, suuttimen halkaisijaa ja levitysnopeutta.
Pennsylvanian yliopiston antamissa lausunnoissa Yu totesi, että betonin on muututtava erittäin nopeasti nestemäisestä tilasta kovemmaksi ja saavutettava lopulliset ominaisuutensa tulostuksen aikana ja sen jälkeen. Nämä tekniset muutokset olivat ratkaisevia toiminnallisen materiaalin luomisessa, jolla on korkea hiilensidontakyky.
Merkittävää on myös saavutettu geometrinen lähestymistapa. Masud Akbarzade johtamana ryhmä kääntyi kolminkertaisiin jaksollisiin minimipintoihin (TPMS) perustuvien rakenteiden puoleen. Nämä geometriat, joita esiintyy luonnollisissa järjestelmissä, kuten luissa ja koralleissa, mahdollistavat käytettävissä olevan pinta-alan maksimoinnin, kuormituksen jakautumisen optimoinnin ja materiaalin kulutuksen minimoinnin.
Monipuolisen graafisen statiikan avulla Akbarzade selitti, kuinka he onnistuivat luomaan elementtejä, jotka säilyttävät lujuutensa jopa materiaalinkulutusta vähentämällä 60 % . TPMS:n betonikuutioilla suoritetut testit osoittivat puristuslujuuden kasvun 90 % verrattuna perinteisiin vaihtoehtoihin, ja hiilidioksidin talteenottotehokkuus kasvoi 32 % sementtiyksikköä kohti .
Fossiilisten organismien ja luonnollisten rakenteellisten mallien käyttö mahdollistaa huokoisten seosten luomisen, jotka ovat paremmin vuorovaikutuksessa ympäristön kanssa ja joilla on paremmat ominaisuudet
Uuden kestävyyden tieteelliset perusteet ja sen ekologinen käyttö
Shu Yang, materiaalitieteen ja -tekniikan professori, korosti, että betonin lujuus kasvaa CO2:n absorboituessa. Tämä havainto kyseenalaistaa perinteiset mallit, joiden mukaan huokoisuuden lisääminen yleensä heikentää materiaalin lujuutta . Pennsylvanian yliopiston kehittämällä menetelmällä huokoisuus tarjoaa tekniset edut , jotka edistävät hiilidioksidin diffuusiota ja kalsiumkarbonaatin muodostumista, mikä vahvistaa rakennetta.
Tiimi korosti myös reologian – hiukkasten virtausta ja vuorovaikutusta tutkivan tieteenalan – merkitystä ja diatomitin vaikutusta betonin kovettumisen parantamiseen. Yu selitti, että huolimatta 3D-tulostimien ja erittäin huokoisten seosten käytön vaikeudesta, materiaali vahvistui CO2:n sitoutumisen jälkeen, mikä yllätti projektista vastaavat.
Sovellutusmahdollisuudet ovat laajat . Tämä betoni on kehitetty arkkitehtonisiin elementteihin, kuten levyihin, julkisivuihin ja kantaviin paneeleihin, mutta sen korkea huokoisuus ja yhteensopivuus meren ekosysteemeiden kanssa mahdollistavat sen käytön keinotekoisissa riutoissa , osterinviljelyalueilla tai ekologisissa kunnostusjärjestelmissä .
Professori Jan selitti, että laaja pinta-ala stimuloi meren eliöiden kasvua, mikä tekee betonista aktiivisen tekijän veden laadun parantamisessa ja hiilidioksidin sitomisessa.
Innovatiivisten materiaalien ja edistyksellisen suunnittelun vuorovaikutus johtaa kestävän betonin luomiseen, joka sopii arkkitehtoniseen käyttöön, elinympäristöjen ennallistamiseen ja tehokkaaseen CO2:n talteenottoon
Tulevaisuuden ennusteet ja kestävän arkkitehtuurin näkymät
Lähivuosina Pennsylvanian yliopisto jatkaa työtään makrorakenteiden laajentamiseksi käyttämällä innovatiivisia vahvistusmateriaaleja , optimoimalla geometriaa ja kokeilemalla muita, vähemmän ympäristöä pilaavia sideaineita . Tutkimukset käsittävät mahdollisuuden luopua perinteisestä sementistä tai sisällyttää teollisuusjätteitä koostumukseen.
”Haluamme mennä vielä pidemmälle: onko mahdollista kehittää täysin sementittömiä seoksia tai muuntaa teollisuusjätteet aktiiviksi komponentiksi?”, Shu Yang selitti. Lopullisena tavoitteena on muuttaa perinteistä käsitystä tästä materiaalista, parantaa sen vuorovaikutusta ympäristön kanssa ja moninkertaistaa sen osuus hiilidioksidipäästöjen vähentämisessä rakentamisessa.
Yhdysvaltain energiaministeriön ja Wagerin energiatieteiden ja -teknologian instituutin tukema hanke heijastaa monialaisen yhteistyön voimaa ilmastonmuutoksen ratkaisemisessa konkreettisten teknologisten ehdotusten avulla.
