A bioanyagoktól a teherhordó szerkezetekig: gombák, algák és fahasábok

Ahogy Caitlin Mueller kutató, tervező és MIT-professzor egyszer mondta: "A legnagyobb érték, amit egy anyagnak adhatsz, ha teherhordó szerepet adsz neki egy szerkezetben". A teherhordó alkatrészek - alapok, gerendák, oszlopok, falak stb. - úgy vannak kialakítva, hogy ellenálljanak az állandó vagy változó erőknek és mozgásoknak. Az emberi test csontjaihoz hasonlóan ezek mindent alátámasztanak, védenek és összetartanak. Ahhoz, hogy betöltsék ezt a nélkülözhetetlen funkciót, kiemelkedő mechanikai tulajdonságokkal rendelkező anyagokból kell készülniük, ami megmagyarázza a cement és az acél kiemelkedő szerepét a szerkezetekben.

Nagy teljesítményüknek azonban nagy ára van: együttesen a globális CO2-kibocsátás 15%-áért felelősek. Ez elgondolkodtat bennünket, vajon lehetséges-e, hogy a szerkezeti anyagok valóban fenntarthatóak legyenek? Tudjuk, hogy már léteznek olyan megoldások, mint például a beton környezetbarátabb változatai, de sok más alternatívát is fel kell fedeznünk. És néha a válasz közelebb van, mint gondolnánk: az alattunk lévő földben és a minket körülvevő természetben.

A természetes eredetű anyagokat - amelyeket bioalapú vagy bioanyagoknak is neveznek -, mint például a micélium, a kender, a szalma és a parafa, már régóta használják az építészeti és tervezőiparban. Folyamatos fejlődésük ellenére ezeket inkább burkolatokkal, mintsem erős, tartós és teherbíró rendszerekkel hozzák összefüggésbe.

Az új technológiákkal együtt azonban a kutatás is óriási fejlődésen ment keresztül, ami olyan bioanyag-innovációkat eredményezett, amelyek nagy potenciált mutatnak a szerkezeti alkalmazásokban. Az alábbiakban három ígéretes példát mutatunk be, amelyek az acélt, a betont és a mészkövet helyettesítik. Bár ezek még kísérleti vagy korai fejlesztési szakaszban vannak, minden bizonnyal hozzájárulnak a fenntarthatóbb jövőbeli épített környezet felé vezető út kikövezéséhez.

Kidobott farönk "villák"

A "farönk villák" a fának azon részei, ahol a törzs vagy az ág kettéválik, egy "Y" alakú darabot alkotva. Bár rendkívül erősek, ezeket a faépítésben elvetik, mivel nem egyenesek. A legtöbb szerkezeti kötés viszont rendkívül emisszióigényes acélból készül. Ezzel kapcsolatban az MIT kutatócsoportja, amelynek tagjai Caitlin Mueller épülettechnológiai programprofesszor és a Digital Structures csoportja, innovatív megközelítéssel állt elő.

Tekintettel arra, hogy az építészet tele van Y-alakú csomópontokkal, ahol egyenes elemek találkoznak, kidobott fahasábokból készült teherhordó kötéseket fejlesztettek ki. A faépítés trendjét követve, amely a beton- és acélelemek helyettesítésére törekszik, ez lehetőséget teremt a fenntarthatóság további növelésére a szabálytalan fadarabok felhasználásával. Normális esetben ezeket elégetik vagy ledarálják, így a fában rekedt szén a légkörbe kerül.

"A fahasábok olyan természetes módon kialakított szerkezeti kapcsolatok, amelyek a fák konzoljaként működnek, ami azt jelenti, hogy belső szálszerkezetüknek köszönhetően nagyon hatékonyan képesek erőt átadni." - mondta Caitlin Mueller

A stratégia lényege, hogy ezeket a "hulladék" anyagokat újrahasznosítják azáltal, hogy az építőiparban szerkezeti elemként használják fel őket. Hogyan? Fejlett digitális és számítási eszközökkel lehetővé válik, hogy a kidobott fahasábokat Y alakú csomópontok között osszák el az építészeti tervekben. Ezeket úgy osztják ki, hogy a lehető legjobban kihasználják a faanyag rostjaiban rejlő szilárdságot, majd azonnal újraosztják őket, ha az építész megváltoztatja a tervet.

A vágási folyamat irányításához a kutatók egy egyedi algoritmust használnak, amely kiszámítja a szükséges vágásokat ahhoz, hogy egy villa beférjen a hozzárendelt csomópontba. És ahhoz, hogy az egészet összerakjuk, egyszerűen követni kell az utasításokat: "A számítógéppel vezérelt robotmegmunkálás beállítja és megjelöli a fa villákat, hogy azok könnyen összeilleszthetők legyenek az egyenes faelemekkel." A jövőben a csapat tervezi, hogy nagyobb anyagkönyvtárakkal dolgozik, például több ágú villákkal, és új szkennelési technológiákat épít be.

3D nyomtatott micélium oszlopok

A gombák, a talajban élő mikroorganizmusok leggyakoribb csoportja, számos jelentős szerepet játszanak az ökoszisztémákban, a fontos táplálékforrástól kezdve a növények tápanyagellátásáig. Ezeket az előnyöket felismerve a Blast Studio kifejlesztett egy olyan módszert, amellyel hulladékból és micéliumból, a fungi gyökérzetéből 3D nyomtatással egy két méter magas szerkezeti oszlopot - az úgynevezett faoszlopot - lehet létrehozni.

Az előállítási folyamat a kidobott papír kávéspoharak összegyűjtésével kezdődik, majd azok aprított darabjait vízben felforralják, hogy sterilizált pépet állítsanak elő. Ez a micéliummal összekeverve egy biomassza-pasztát hoz létre, amelyet később 3D-nyomtatással 10 különálló modult alkotnak, amelyeket aztán egymásra raknak, és további micéliummal olvasztanak össze.

A Tree Column bordázott, hullámos alakja algoritmikusan úgy van kialakítva, hogy megtartsa a nedvességet és védje a légáramlástól, ideális klímát teremtve a gombák növekedéséhez. A kialakításnak azonban szerkezeti célja is van; az anyag rugalmasságának köszönhetően az oszlop könnyű, és jól összenyomható és hajlítható. Megszilárdulása után a közepes sűrűségű farostlemezhez (MDF) hasonló szerkezeti kapacitást ér el, ami azt jelenti, hogy a micélium végső soron helyettesítheti a betont a kisebb épületekben.

A technológia tehát zsaluzás nélkül képes olyan összetett formák létrehozására, amelyek optimalizálják a teljesítményt, miközben helyettesítik a hagyományos szerkezeti anyagokat. A Blast Studio jelenleg egy pavilon nyomtatására kívánja felnagyítani a technológiát, és reméli, hogy a jövőben épületeket építhet, ami potenciálisan lehetővé tenné, hogy a városok hulladékból építészetet termeljenek, miközben élelmet biztosítanak a lakosoknak.

Alga által termesztett mészkő

A portlandcement, a leggyakoribb cementfajta, bányászott mészkőből készül, amelyet magas hőmérsékleten égetnek, és amely az anyag üvegházhatást okozó kibocsátásának nagy részét teszi ki. Ezt szem előtt tartva a Colorado Boulder Egyetem kutatócsoportja olyan biológiailag termesztett mészkövet hozott létre, amely potenciálisan szén-dioxid-semlegessé (vagy akár szén-dioxid-negatívvá) teheti a cementgyártást.

Az ötlet akkor született, amikor Wil V. Srubar, aki a CU Boulder Élő Anyagok Laboratóriumát vezeti, a korallzátonyokban megfigyelte, hogy a természet hogyan képes a kalcium-karbonátból - a mészkő fő összetevőjéből - saját tartós, hosszú élettartamú szerkezeteket növeszteni. Csapatával együtt elkezdte termeszteni a coccolithophorákat, olyan egysejtű algákat, amelyek a fotoszintézis révén képesek a CO2-t ásványi formában megkötni és tárolni. Napfény, tengervíz és oldott szén-dioxid segítségével ezek a mikroszkopikus organizmusok állítják elő a legnagyobb mennyiségű kalcium-karbonátot a bolygón.

"Ha a világ összes cementalapú építkezését biogén mészkőcementre cserélnénk, akkor évente 2 gigatonnányi szén-dioxid légkörbe pumpálását kerülnénk el, és több mint 250 millió tonna további szén-dioxidot vonnának ki a légkörből és tárolnának el ezekben az anyagokban."- mondta Kelsey Simpkins, University of Colorado Boulder.

Így az algákban termesztett mészkő környezetbarát alternatívává válik. És mivel a módszer az általunk ismert beton felhasználásával jár, már tömegesen alkalmazható szerkezeti alkalmazásokban. Lényegében ugyanazokat a mechanikai tulajdonságokat és teherbíró képességet teszi lehetővé, mint a beton, de képes a hagyományos cement által generált számos káros környezeti hatás mérséklésére.

A jövőre nézve a következő lépések közé tartozik a termelés növelése a kereskedelmi forgalomba hozatal felé való elmozdulás érdekében, de a lehetőségek már most is egyértelműek: a mészkőnek ez a változata lehetőséget teremt arra, hogy a jövőbeli szerkezeteket szén-dioxid-nyelővé alakítsuk, valamint javítsuk a levegő minőségét, csökkentsük a környezeti károkat és növeljük az építőanyagokhoz való méltányos hozzáférést világszerte.

Ahhoz, hogy a nagy kibocsátású szerkezeti anyagokat helyettesíteni lehessen, a bioalapú alternatíváknak megfizethetőnek és könnyen előállíthatónak kell lenniük. A közelgő kihívásoktól függetlenül azonban végtelen lehetőségeket nyitnak meg; az új technológiákkal kéz a kézben csak idő kérdése lehet, hogy ezek egy egészségesebb épített környezetet eredményezzenek.

Forrás: www.archdaily.com