Az amerikai kutatók által kifejlesztett formula fosszilis szervezeteket és fejlett technológiákat használ, hogy könnyebb és ellenállóbb szerkezeteket hozzon létre, miközben az építészet alapjaitól kezdve segít a klímaváltozás elleni küzdelemben
Egy új generációs beton ígéretes változást hozhat az építőiparban, mivel több szén-dioxidot köt meg és csökkenti az anyagfelhasználást a bioinspirált megközelítésnek és a nagy pontosságú 3D-nyomtatásnak köszönhetően (Pennsylvaniai Egyetem)
A Pennsylvaniai Egyetem kutatócsoportja jelentős áttörést ért el a fenntartható építőanyagok fejlesztésében egy beton innovatív anyaggal, amely a szokásos keverékeknél akár 142%-kal több szén-dioxidot képes megkötni.
A javaslat kulcsa a diatomaföld és a 3D-nyomtatás alkalmazásában rejlik, ami lehetővé teszi az alapanyagok mennyiségének csökkentését és a szerkezeti integritás megőrzését, az egyetem 2024 decemberében bemutatott jelentése szerint. A hír, amelyet az Advanced Functional Materials magazin is közzétett és bővebben ismertetett, ezt az új betont az ipar környezeti hatásának minimalizálására alkalmas alternatívaként pozícionálja.
A beton gyártása a világ 9%-át teszi ki a globális üvegházhatású gázok kibocsátásának, amint azt a Pennsylvaniai Egyetem kiemeli. Ezzel a helyzettel szembesülve a tudományos közösség és a tervezők fokozta a tisztább és hatékonyabb alternatívák keresését, amelyek beépíthetők anélkül, hogy a funkcionalitás és a tartósság rovására menne.
Ez a fejlesztés válaszul szolgál a nagyméretű építési projektekhez szükséges fenntartható megoldások iránti növekvő igényre, és olyan természetes összetevőket és technológiákat vezet be, amelyek megváltoztatják a betonról alkotott hagyományos képet.
A Pennsylvaniai Egyetem vezető szerepet játszik a fenntartható építési technológiák kutatásában, és olyan megoldásokat támogat, amelyek ötvözik a tudományt, a tervezést és a környezet iránti elkötelezettséget az új építészeti anyagok fejlesztésében (Pennsylvaniai Egyetem).
Miért aggasztja a beton szénlábnyoma az ágazatot?
Hosszú története során, az ókortól kezdve a beton ikonikus épületek és civilizációs művek alapjául szolgált. Masszív felhasználása azonban jelentősen hozzájárul a globális kibocsátáshoz, amit az egyetem ismételten hangsúlyoz.
Ezért mérnökök, építészek és tudósok úgy döntöttek, hogy erőfeszítéseiket a klasszikus receptek újragondolására összpontosítják, azzal a céllal, hogy olyan keverékeket hozzanak létre, amelyek ellenállóak, de aktívan megkötik a szén-dioxidot.
Az új fejlesztéshez kapcsolódó csapat különböző szakmákból származó szakembereket vonzott be, hogy eddig nem látott anyagok és eljárások kombinációját dolgozzák ki. Fő céljuk egy olyan beton kifejlesztése volt, amely megőrzi az építkezéshez elengedhetetlen tulajdonságait, ugyanakkor szén-dioxid-megkötési és -mineralizációs technikák segítségével csökkenti környezeti hatását.
A beton kibocsátásának csökkentése elengedhetetlen, tekintettel annak súlyára a klímaválságban és központi szerepére a globális infrastruktúrában, ami ösztönzi a kevésbé szennyező alternatívák keresését (Pennsylvaniai Egyetem).
Diatomaföld és a természet ihlette geometria
Ennek az innovációnak az alapja a diatomaföld használata, egy porózus, fosszilizált mikroalgákból nyert termék, amely kivételes textúrát biztosít. Ez az anyag növeli a nyomtatás stabilitását és megsokszorozza a CO2-vel reagáló pontok számát. A Pennsylvaniai Egyetem részletezte, hogy az így kapott mineralizált keverék kevesebb cementet igényel, javítva ezzel mind az ökológiai egyensúlyt, mind a új szerkezetek súly-szilárdság arányát.
A 3D-nyomtatás használata elengedhetetlen volt a receptúra tökéletesítéséhez. Kun-Hao Yu, Shu Yang kutatócsoportjának vezetője finomította a beton „tinta” összetételét, és olyan részleteket állított be, mint a víz aránya, a fúvóka átmérője és a lerakódás sebessége.
Yu a Pennsylvaniai Egyetem által közzétett nyilatkozatában jelezte, hogy a beton nagyon gyorsan kell átalakuljon folyékony állapotból szilárdabbá, és a nyomtatás során és után meg kell szilárdulnia végleges tulajdonságainak. Ezek a technikai beállítások döntő fontosságúak voltak a magas szén-dioxid-elnyelő képességű funkcionális anyag előállításához.
Kiemelendő a geometriai megközelítés is. Masoud Akbarzadeh vezetésével a csoport háromszögű minimális periodikus felületeken (TPMS) alapuló terveket alkalmazott. Ezek a geometriák, amelyek természetes rendszerekben, például csontokban és korallokban is megtalálhatók, maximalizálják a rendelkezésre álló felületet, optimalizálják a terheléseloszlást és minimalizálják a szükséges anyagmennyiséget.
Akbarzadeh poliedrikus grafikai statikával magyarázta, hogyan hoztak létre olyan elemeket, amelyek megőrzik a szilárdságot, még akkor is, ha a felhasznált anyag mennyiségét 60%-kal csökkentik. A TPMS betonkockákkal végzett tesztek 90%-os nyomószilárdságot mutattak a hagyományos változatokhoz képest, míg a szén-dioxid-megkötési hatékonyság 32%-kal nőtt cementegységenként.
A fosszilis szervezetek és a természetes szerkezeti minták kihasználásával porózus keverékek hozhatók létre, amelyek nagyobb környezeti interakciós képességgel és jobb teljesítményrel rendelkeznek (Pennsylvaniai Egyetem).
A új szilárdság mögött álló tudomány és ökológiai alkalmazásai
Shu Yang, az anyagmérnöki tudományok professzora kiemelte, hogy a beton szilárdsága nő, ahogy CO2-t vesz fel. Ez a megfigyelés ellentmond a hagyományos modelleknek, amelyek szerint a porozitás növelése általában csökkenti az anyagok szilárdságát. A Pennsylvaniai Egyetem fejlesztése esetében a porozitás műszaki előnyökkel jár, mivel elősegíti a szén-dioxid diffúzióját és a kalcium-karbonát képződését, ami erősíti a szerkezetet.
A csapat kiemelte továbbá a reológiai értéket – ez a tudományág a részecskék áramlását és kölcsönhatását tanulmányozza – és a kovaföld hozzájárulását a beton kötésének javításához. Yu elmondta, hogy a 3D-nyomtatókkal és a nagy porozitású keverékekkel való munka kihívásai ellenére az anyag szilárdsága nőtt a CO2 megkötése után, ami még a projekt felelőseit is meglepte.
Az alkalmazási lehetőségek széles körűek. Ezt a betont építészeti elemekhez, például födémekhez, homlokzatokhoz és teherhordó panelekhez tervezték, de magas porozitása és a tengeri ökoszisztémákkal való kompatibilitása lehetővé teszi felhasználását mesterséges zátonyokban, osztrigatelepeken vagy ökológiai helyreállítási rendszerekben is.
Yang professzor elmagyarázta, hogy a hatalmas felület serkenti a tengeri szervezetek növekedését, így a beton aktív szerepet játszik a vízminőség javításában és a szén-dioxid megkötésében.
Az innovatív anyagok és a fejlett tervezés kölcsönhatása egy robusztus betont eredményez, amely alkalmas építészeti felhasználásra, élőhelyek helyreállítására és a CO2 hatékony megkötésére (Pennsylvaniai Egyetem).
Jövőbeli tervek és kilátások a fenntartható építészet számára
A következő években a Pennsylvaniai Egyetem továbbra is a makroszerkezetekre való kiterjesztés, innovatív erősítések alkalmazása, a geometria optimalizálása és más, kevésbé szennyező kötőanyagokkal való kísérletezés területén fog dolgozni. A kutatások magukban foglalják a hagyományos cement kiküszöbölésének lehetőségét vagy ipari hulladékok beépítését a kompozícióba.
„Még tovább szeretnénk menni: megvalósítható lenne teljesen cementmentes keverékek kifejlesztése vagy ipari hulladékáramok aktív komponensekké történő átalakítása?” – vetette fel Shu Yang. A végső cél az, hogy átalakítsák ezen anyag hagyományos koncepcióját, fokozva környezettel való interakciójának képességét és megsokszorozva hozzájárulását az építőipari szén-dioxid-kibocsátás csökkentéséhez.
Az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériuma és a Vagelos Institute for Energy Science and Technology által támogatott projekt tükrözi az interdiszciplináris együttműködés erejét a klímaváltozás konkrét technológiai megoldásokkal történő kezelésében.
