Az agrárhulladéktól a fenntartható struktúrákig: cukornádból készült beton

A mezőgazdasági hulladékgazdálkodás hatékony és értékes megoldásainak megtalálása inspiráló kihívást jelentett a kutatók számára. A monokultúrákból származó melléktermékeket, például a szójatermesztésből származó maradékokat, a kukoricacsutkát, a szalmát, a napraforgómagot és a cellulózt gyakran talajkomposztálásra szánják, állati takarmányként használják fel, vagy akár energiává alakítják a hulladék csökkentése és a mezőgazdasági tevékenységekhez kapcsolódó környezeti hatások mérséklése érdekében.

A cukornádtermelés például jelentős mennyiségű hulladékot termel, összesen mintegy 600 millió tonna bagasszusrost-hulladékot az évi kétmilliárd tonna cukornádtermelésből. Ez a hulladék ígéretes potenciállal rendelkezik az energiaigényes építési rendszerek, például a beton és a tégla helyettesítésére, olyan építőanyagokat biztosítva, amelyek egyesítik a fenntarthatóságot és a szerkezeti hatékonyságot.

Ezt a perspektívát szem előtt tartva a Kelet-londoni Egyetem (UEL) a Grimshaw Architects és a gyártó Tate & Lyle Sugar céggel együttműködve kifejlesztett egy innovatív építőanyagot, a Sugarcrete™-et.

A projekt célja a fenntartható építési megoldások feltárása a cukornádból származó biológiai hulladék újrahasznosításával, ami viszont csökkenti az építőipar szén-dioxid-kibocsátását – mindezt úgy, hogy ezen építőanyagok előállítása és kivitelezése során a társadalmi és környezeti fenntarthatóságot helyezi előtérbe.

“A Sugarcrete™ fő innovációja az, hogy megkérdőjelezi azt a bevett tévhitet, miszerint a bioanyagok szerkezeti teljesítménye alacsony, és olyan anyagot hoz létre, amelynek szerkezeti szilárdsága elegendő ahhoz, hogy önhordó legyen” – mondja Armor Gutierrez Rivas, vezető építészprofesszor. Mint kifejti: “A projekt a Kelet-londoni Egyetem (UEL) építészmérnöki mesterképzésének részeként végzett, a helyi problémákat megoldó innovatív építési megoldások alkalmazásával foglalkozó oktatás által megalapozott kutatás részeként indult. Miközben a Royal Docksban található Silver Town átépítési javaslatain dolgoztunk, a terület meglévő ipari szerkezetével foglalkoztunk, és elkezdtük megvizsgálni a melléktermékeket, mint építési alternatívákat, beleértve a Tate & Lyle cukorgyártásából származó melléktermékeket is. A kezdeti feltárásokat a Fenntarthatósági Kutatóintézet (SRI) legkorszerűbb létesítményei segítségével teszteltük és optimalizáltuk, majd később a Grimshaw építészekkel és az AKT II mérnökeivel kreatív partnerségben Sugarcrete™ Slab néven valósítottuk meg.”

A Sugarcrete™ alapvetően a bagasz és ásványi kötőanyagok kombinálásával jön létre. A végtermék könnyebb, mint a hagyományos tégla, és csak 15-20%-kal kisebb a szén-dioxid-kibocsátása. A globális bagasztermelés 30%-ának töredékét felhasználva a Sugarcrete™ képes lenne teljesen kiváltani a hagyományos téglaipart, ami 1,08 milliárd tonna CO2 megtakarítást eredményezne (ami a globális szén-dioxid-termelés 3%-ának felel meg).

A cukornád gyors növekedési ütemmel rendelkezik, és akár 50-szer hatékonyabb, mint az erdészet, amikor a CO2 biomasszává alakításáról van szó, így a nettó nulla kibocsátás eléréséhez kiemelt fontosságú anyag. Emellett az anyag jó szerkezeti tulajdonságokkal rendelkezik, szigetelő, tűzálló, könnyen felhasználható szakképzetlen munkaerővel, és egyszerű összetétele miatt egyszerűsített ellátási lánccal rendelkezik.

Bamdad Ayati, az UEL Fenntarthatósági Kutatóintézetének tudományos munkatársa szerint “A Sugarcrete™ gyártási folyamata meglehetősen egyszerű, és hasonlít a hagyományos betontömbök gyártásához. Magában foglalja az anyagok adagolását, keverését, öntését és szárítását/keményítését. A kötőanyag-összetevők ásványi alapúak és széles körben elérhetők azokon a helyeken, ahol már van cukoripar. Más építőanyagokhoz hasonlóan a nagyüzemi gyártás kihívásai a nyers alapanyag nedvességtartalom, szemcseméret, nemkívánatos szennyeződések stb. tekintetében történő változékonyságával járnak.”

A fejlesztőcsapat a Grimshaw globális építészirodával együttműködve beépítette az egymásba illeszkedő geometriák koncepcióját, hogy új lehetőségeket tárjon fel a termék alkalmazásával kapcsolatban. A francia mérnök, Joseph Abeille által 1699-ben feltalált és szabadalmaztatott interlocking módszert 1739-ben Amédée François Frézier, 1737-ben pedig Truchet Traité de Stéréotomie című művében dolgozta fel újra. Ezt követően a 21. században különböző kutatócsoportok fejlesztették tovább, köztük Jurij Estrin, Arcady Dyskin és Giuseppe Falacara; Michael Weizmann; és AAU Anastas építészek Maurizio Brocato mérnökkel együtt.

A koncepciót a Sugarcrete-re alkalmazták, hogy szétszerelhető, újrafelhasználható és tűzálló kompozit padlólemezeket hozzanak létre, amelyeket “Sugarcrete™ Slabs” néven emlegetnek. Ezek egy olyan prototípus-sorozat részét képezik, amelynek célja olyan innovatív építési megoldások kifejlesztése, amelyek új és meglévő szerkezetekben megvalósíthatók, szétszerelhetők vagy bővíthetők.

A projekt egy egymásba illeszthető rendszert használ, mint egy alkatrészkészletet, amely lehetővé teszi, hogy nagy szerkezetek épüljenek kis, különálló alkatrészekből, habarcs nélkül. Kölcsönösségének és elosztott erőhálózatának köszönhetően ez a rendszer felülmúlja a hagyományos monolitikus szerelvények teljesítményét. Az öntési eljárást az anyagpazarlás minimalizálása érdekében alkalmazzák, és lehetővé teszi a zsaluzat újrafelhasználását és az egyszerűsített tömeggyártást, valamint a gyártáshoz és összeszereléshez való tervezés (DfMA) lehetőségeit.

Elena Shilova, építész, Grimshaw & Andy Watts tervezési technológiai igazgatója szerint a projekt egy teljes digitális eszköztárat használt a gyártáshoz, amely integrálta az anyagszámítást, a parametrikus tervezést és a robotizált gyártást. A folyamat az anyagtulajdonságok bevitelével kezdődött egy digitális szén-dioxid-elemző eszközbe, hogy felmérjék a vonatkozó lábnyomot. Ezután egy generatív modellt alkalmaztak a 2D-s mintáknak az összekapcsolt alkatrészek 3D-s geometriájává történő átalakítására.

Egy 6 tengelyes robotkar segítségével a digitális modell szerszámpályákat generált a formák gyártásához (a kikeményítés és a 3D szkennelés után az alkatrészek esetleges eltéréseit visszavezették a digitális modellbe). Egy kiterjesztett valóság asszisztens készletet használtak az építési sorrend tesztelésére, ami a nagyméretű összeszereléshez vezetett. Az összeszerelés után az építészeti elemet kalibrálás céljából ismét háromdimenziósan szkennelték. Ez a digitális eszköztár lehetővé teszi egy rugalmas és testreszabható készlet-az-alkatrészekből álló rendszer létrehozását e fenntartható anyag felhasználásával, integrálva a digitális és a fizikai világot, és átvéve a természetes anyagok egyedi jellemzőit.

Ahogy Elena rámutat: “Hisszük, hogy a technológia pontosan erre képes: a természetes anyagot, annak egyenetlenségével, tökéletlenségével és kézműves jellegével együtt a számítógépes tervezés és a fejlett gyártás erejével alkalmazza. Cserébe a helyi anyag lehetővé tételével az embereket és a helyi közösséget is lehetővé tesszük: mert a technológiai fejlődésnek nem szabad kizárólag az üvegből és betonból készült, drága építészetre korlátozódnia.”

A Sugarcrete™ kutatást szándékosan szabadalom nélkül tették közzé, hogy a helyi gyártókat az anyag átvételére és a cementfelhasználás csökkentésére ösztönözzék.

Alan Chandler, az UEL Fenntarthatósági Kutatóintézetének társigazgatója így nyilatkozott: “A Tate & Lyle Sugars-szal együttműködve szabadalmi kutatásokat végeztünk, és megállapítottuk, hogy hol szabadalmaztatták a bagasztát az építőanyag-fejlesztésben, és mi volt a működési területünk. Arra a következtetésre jutottunk, hogy a munkánk eredeti, és be tudnánk nyújtani egy szabadalmat, de közösen úgy döntöttünk, hogy nem tesszük. Ez elsősorban abból fakadt, hogy meg akartuk osztani meglátásainkat a globális déli termelői közösségekkel, nem pedig ellenőrizni akartuk a termékeinket. A szabadalmaztatás mellőzésével kapcsolatos döntésünk inkább etikai, mint pénzügyi okokból született.”

Az innovációval és az ellátási lánccal kapcsolatos etikai megfontolások valóban alapvető fontosságúak voltak a projekt tervezése során, amelynek célja olyan életképes, tisztességes és szilárd ellátási láncok létrehozása, amelyek méltányos eredményeket biztosítanak mind a termelők, mind a felhasználók számára. Ezzel nemcsak a szén-dioxid-kibocsátás csökkentését, hanem a társadalmi és környezeti fenntarthatóságot is célul tűzte ki. A csapat a globális dél cukortermelő régióiban is azonosította a helyszíneket a megvalósítási lehetőségek további bővítése érdekében, és azt tervezi, hogy hamarosan valós forgatókönyvek alapján teszteli a prototípust.

A gondos és tudatos fejlesztés révén a Sugarcrete optimizmussal tekinthetünk az építőipar jövőbeli forgatókönyvére, amelynek negatív környezeti hatása jelentős, és hatékony (és gyors) fellépést igényel.

Ahogy Alan Chandler magyarázza: “Az éghajlati válság kezelésére irányuló anyaginnováció etikájának az ellátási láncot és a teljesítményspecifikációt is meg kell terveznie. A szén-dioxid a lista élén áll; meg kell említenünk a toxicitást is az építési folyamatok egészségével és biztonságával kapcsolatban. A bagasz és más gyorsan növő biológiai termékek használata inert ásványi kötőanyagokkal kombinálva, nem csak a szigetelőrétegek, hanem a szerkezetek esetében is, kezdi kiszorítani a kémiailag rosszindulatú és fosszilis tüzelőanyag-alapú termékcsaládokat az építkezésekről. Ez közvetlenül az építésbiztonsági törvény biztonsági prioritásaira irányul a gyártási, építési, bontási, újrafelhasználási és ártalmatlanítási folyamatok során.”

Elena Shilova azzal zárja mondandóját, hogy “Ha az iparágakra tekintünk, számos lehetőséget találunk a helyi és fenntartható anyagok és a fel nem használt mezőgazdasági/ipari melléktermékek számára. Ezek az anyagok, amelyek talán nem tűnnek elbűvölőnek és elegánsnak, az új csúcstechnológiát jelentik az éghajlati vészhelyzettel szemben. Az éghajlati vészhelyzet új építészeti nyelvet követel az olyan anyagok számára, mint a Sugarcrete™, hogy valóban felkaroljuk és ünnepeljük a bennük rejlő lehetőségeket, anélkül, hogy bevonatolnánk és elrejtenénk őket a “modern” megjelenés érdekében. Ez az új építészeti nyelv és a gondolkodásmód megváltozása végső soron vonzóvá teszi a természetes anyagokat a vásárlók számára, növelve a keresletet és csökkentve az árakat a méretgazdaságossági előnyöknek köszönhetően.”

Forrás: www.archdaily.com