Beton na bazie gleby mógłby uczynić budynki zielonymi nawet na Marsie

Postęp techniczny spowodował przeniesienie drukarek 3D z laboratoriów i warsztatów do fabryk. Teraz naukowcy opracowali „atrament” na bazie gleby do druku 3D. Nowy materiał może zastąpić beton w nowych budynkach.

„Beton jest zdecydowanie jednym z najczęściej stosowanych materiałów budowlanych” – zauważa Aayushi Bajpayee. Ale z punktu widzenia ochrony środowiska nie jest zbyt zielony. Około 5 do 8 procent emisji gazów cieplarnianych z działalności człowieka ma swoje źródło w betonie. Cement, który utrzymuje razem beton, wydziela dużo dwutlenku węgla, który jest gazem cieplarnianym. Proces ten pochłania również ogromne ilości energii, która zwykle pochodzi z paliw kopalnych. Budowniczowie również zazwyczaj transportują beton na duże odległości. Ta podróż spala jeszcze więcej paliw kopalnych.

Bajpayee jest chemikiem i absolwentem Uniwersytetu Texas A&M w College Station. Ona i chemik Sarbajit Banerjee, również z Texas A&M, opisali swoją nową, bardziej ekologiczną alternatywę dla betonu, 20 sierpnia na jesiennym krajowym spotkaniu American Chemical Society.

Wcześniej Banerjee i inni pokazali, jak zrobić materiał na drogi z ziemią przypominającą ziemie torfową (znaleźli go [materiał] w północnej Albercie w Kanadzie). Dodali do gleby włókna celulozowe z lokalnych roślin. Zastępując część tej gleby innymi materiałami, obniżyli koszty, częściowo poprzez sprowadzanie mniejszej ilości składników z daleka.

„Celuloza jest częścią kleju, który spaja cząsteczki gleby. [To] pozwala nam opracować nadający się do druku „atrament” ”- mówi Banerjee. Zauważa, że ​​po wyschnięciu tusz będzie później w stanie wytrzymać duże obciążenia, tak jak muszą to robić ściany i inne materiały budowlane. Do mieszanki dodano również krzemian sodu i związek silnie zasadowy (o wysokim pH ). Te dwa ostatnie składniki utworzyły sieć połączeń chemicznych w całej mieszance. Te wiązania krzyżowe utrzymywały materiał razem, czyniąc go mocnym.

Nowy materiał naukowców wykorzystuje zwykłą glebę gliniastą z Teksasu i lokalne rośliny. Zespół osuszył gliniastą ziemię i zmielił ją. Następnie sito zebrało większość kawałków gleby i rozkruszyło je do niewielkich rozmiarów. Zespół zmieszał kawałki gliny z krzemianem sodu, celulozą i płynem alkalicznym. Mieszanka zawierała również produkt uboczny przetwarzania buraków cukrowych – jego zadaniem jest powodowanie pęcznienia materiału po dodaniu wody.

Ludzie mogą kiedyś budować budynki, drukując je trójwymiarowo za pomocą materiału na bazie gleby. Proces pokazany tutaj w laboratorium stanowi substytut betonu. A. BAJPAYEE

Od podstaw

Drukarka 3-D tworzy przedmiot, jedna warstwa na drugiej. Aby wydrukować budynek, konstrukcja byłaby dosłownie zbudowana od podstaw. Kiedy „atrament” opuszcza drukarkę, „wygląda jak bita śmietana” – mówi Bajpayee. Ale dodaje, że „zachowuje swój kształt”. I szybko twardnieje, więc nie spłaszcza się, gdy następna warstwa jest drukowana na nim.

W artykule Frontiers in Materials 10 marca 2020 r zespół opublikował szczegóły swojego sukcesu związanego z procesem szybkiego twardnienia ich “atramentu”.

Banerjee uważa, że ​​proces ten może działać z glebami w wielu miejscach. Jego grupa przeprowadziła eksperyment nawet na kilka próbkach symulowanej glebie marsjańskiej. W końcu lokalne materiały byłyby najbardziej praktyczne, gdyby ludzie kiedykolwiek zbudowali placówki na Czerwonej Planecie. Ta praca może być jednak trudna, ponieważ promieniowanie powoduje, że gleba planety jest bardzo zbita, mówi. Kolejne wyzwanie: Mars nie ma łatwo dostępnych materiałów organicznych, takich jak celuloza. Może to utrudnić sklejanie się cząstek gleby i prawidłowy druk. Zespół szuka rozwiązania.

Architekci mogą kiedyś użyć druku 3D do konstruowania budynków o unikalnych kształtach i projektach. Mała konstrukcja na tym zdjęciu została wykonana w laboratorium. Ma około 12 centymetrów (5 cali) wysokości. A. BAJPAYEE

W międzyczasie Banerjee jest podekscytowany perspektywami drukowania struktur na Ziemi za pomocą nowych tuszy na bazie gleby.

Każdy kształt powinien być możliwy, „więc to naprawdę marzenie architekta” – mówi. Model, który on i Bajpayee pokazali na spotkaniu ACS, takie krzywizny które trudno byłoby zbudować z betonu. Dodatkowo drukarka musiałby być znacznie większy, aby wydrukować rzeczywisty budynek w 3D.

Zespół również myśli naprzód. W końcu droga lub budynek mogą przestać być już potrzebne. Ten drukowany materiał rozkłada się w większości nietoksycznie, mówi Banerjee.

Na razie zespół zastanawia się nad wykorzystaniem druku 3D do budowy zewnętrznych ścian budynków. Pozostałe części muszą być zgodne z przepisami budowlanymi (zasadami, które określają, jak należy budować budynki). Większość istniejących zasad napisano dla betonu, zauważa Bajpayee. Potrzebne będą nowe zasady, aby nakreślić, jak ten materiał miałby działać.

„Ogólna koncepcja jest nowatorska i pochwalam zespół za innowacyjny pomysł” – mówi Xiong (Bill) Yu. Jest inżynierem budownictwa lądowego na Uniwersytecie Case Western Reserve w Cleveland w stanie Ohio. Konieczne będą dalsze badania, aby lepiej zrozumieć, gdzie i jak można wykorzystać materiał, mówi. Na przykład, ile może wytrzymać i jak może wytrzymać ekstremalne warunki klimatyczne?

Koszt to oczywiście kolejna wielka niewiadoma. Bajpayee zgadza się. Jak zauważa: „Całe moje badania dotyczą zrównoważonego rozwoju i dążenia do tego, aby było tanio”.

Źródła: Kathiann Kowalski

A. Bajpayee et al. In situ resource utilization and reconfiguration of soils into construction materials for the additive manufacturing of buildings. American Chemical Society Fall 2020 Virtual Meeting.​ ​August 20, 2020.​

A Bajpayee et al. In situ resource utilization and reconfiguration of soils Into construction materials for the additive manufacturing of buildingsFrontiers in Materials. Vol. 7, March 10, 2020. doi: 10.3389/fmats.2020.00052.

G.R. Waetzig et al. Building on sub-Arctic soil: Geopolymerization of muskeg to a densified load-bearing compositeScientific Reports. Vol. 7, November 7, 2017. doi: 10.1038/s41598-017-15115-z.

Zdjęcia: DOTTEDHIPPO/ISTOCK/GETTY IMAGES PLUS

Subscribe
Powiadom o
guest
0 komentarzy
Inline Feedbacks
View all comments
0
Would love your thoughts, please comment.x
()
x