Budování budoucnosti odolné vůči budoucnosti

Stavebnictví je samo o sobě zodpovědné za více než 10% světových emisí CO₂ pětkrát více než celosvětová letecká doprava. Jedním z největších zdrojů této těžké uhlíkové stopy je beton a jeho hlavní složka, cement. Kdyby byl globální sektor cementu samostatnou zemí, byl by třetím největším producentem CO₂ po Číně a Spojených státech. Dobrou zprávou je, že již probíhá radikální přehodnocení zastavěného prostředí s cílem výrazně snížit jeho uhlíkovou stopu a přejít od současného modelu k udržitelnému systému s uzavřenou smyčkou.

 

Dobré zprávy

Velkého pokroku bylo dosaženo při vývoji a uvádění na trh široké škály nových materiálů a přístupů k zastavěnému prostředí, aby bylo udržitelné pro dnešek i budoucnost. Patří sem i nová generace ekologicky šetrného cementu a betonu, která nejenže může radikálně snížit emise uhlíku, ale časem má potenciál učinit z betonu uhlíkově negativní materiál. Týmy po celém světě se také podílejí na průkopnické práci na vývoji specializovaných alternativních betonů, které mohou například zachycovat, uchovávat a přenášet sluneční energii jako elektřinu nebo světlo bez provozních nákladů a škodlivých emisí.

 

Přírodní materiály, jako je dřevo, se také znovu promýšlejí jako součást řešení pro zastavěné prostředí. Pokroky v oblasti konstrukčního dřeva umožňují stavět výškové budovy z konstrukčních dřevěných nosníků namísto ocelových nejen konstrukčně, ale i ekonomicky. Technické dřevo má i další výhody, včetně zachycování uhlíku, pasivního chlazení a celkové pohody, kterou přírodní materiál přináší.

 

K tomu je třeba dodat, že nový vývoj v oblasti nanotechnologií umožňuje zavádění samoregulačních fasád budov a průlomové objevy v systémech HVAC umožňují výrazně snížit spotřebu energie. Žádné řešení není klíčové. V tomto případě platí, že čím více dobrých nápadů máme, tím lépe. Ozelenění betonové džungle Beton je všude. Každý rok se ho na celém světě spotřebuje více než 10 miliard tun, což z něj činí nejpoužívanější umělý materiál na planetě - a druhou nejpoužívanější látku na Zemi hned po vodě.

 

Pro uspokojení rostoucí celosvětové poptávky po betonu se v současnosti vyrábí více než 4,5 miliardy tun cementu ročně. Výroba cementu - přinejmenším v podobě, v jaké se dnes vyrábí většina standardních portlandských cementů - je energeticky náročný proces, při kterém se uvolňuje obrovské množství emisí CO₂.

 

Hlavním zdrojem emisí je výroba slínku, která vyžaduje zahřátí vápence na teplotu až 1 500 stupňů Celsia - přibližně dvakrát vyšší než teplota roztavené lávy. Zatímco použitá energie pochází převážně z fosilních paliv, až 60% emisí uhlíku pochází z chemických reakcí, které probíhají při výrobě slínku.

 

Ekologický cement

Jedním z řešení pro cement je nahrazení slínku jiným, šetrnějším materiálem. Výzkumníci z Princetonské univerzity ukázali, že je možné vyrábět materiály podobné cementu z recyklovaných vedlejších produktů průmyslové činnosti, včetně ocelářské strusky, popílku z uhelných elektráren a některých jílů. Tato technika, která je zatím ve fázi vývoje, má navíc výhodu recyklace průmyslového odpadu a omezování emisí uhlíku a mohla by snížit emise CO₂ až o 80% ve srovnání s výrobou tradičního portlandského cementu.

 

Dalším možným řešením vyvíjeným v Laboratoři pro chemii stavebních materiálů na Kalifornské univerzitě je unikátní materiál podobný cementu, který se vyrábí recyklací C02 z průmyslových emisí uhlíku bez nutnosti dalšího zpracování. Tento materiál, který tým UCLA nazývá "CO₂N-CRETE", který se vyrábí ze zachyceného CO₂ ze spalin a jejich kombinací s dalšími prvky se spustí chemická reakce, která se následně vyrobí pomocí 3D tiskáren. Současný pilotní projekt vyrábí až 10 tun denně a ve druhé fázi by měl výkon dosáhnout 100 tun denně.

 

Ve Velké Británii pracují vědci z Aberdeenské univerzity na projektu, který nazývají Carbon Capture Machine. Zařízení zachycuje CO₂ a přeměňuje jej na materiály, které mohou nahradit mletý uhličitan vápenatý - další CO₂-náročná složka používaná k výrobě betonu. Ačkoli je tato technologie teprve v počáteční fázi vývoje, mohla by hrát důležitou roli při odstraňování emisí CO₂ z výroby betonu.

 

Oprava trhlin

Jedním z velkých problémů moderního betonu je, že nevydrží. Mnoho moderních betonových konstrukcí začíná degradovat do 50 let. Opravy jsou nákladné a mnoho konstrukcí je jednoduše zbouráno bez účinné recyklace. Ale co kdyby se beton dokázal opravit sám?

 

Tato myšlenka není přitažená za vlasy - staří Římané vyvinuli před více než 2000 lety samoregenerační betonové směsi, které obstály ve zkoušce času. Nedávná analýza odhalila, že Římané vyráběli beton ze směsi sopečného popela a hornin, vápna a mořské vody. Tento proces - který moderní věda nedokázala plně napodobit - způsobuje růst vzácného hydrotermálního minerálu, který beton časem zpevňuje.

 

Vědci dnes pracují na řešeních pro vývoj samoregeneračního cementu, který by vyhovoval potřebám moderního světa. Tým z univerzity v Delftu v Nizozemsku se ujal vedení ve vývoji betonové směsi napuštěné bakteriemi, která umožňuje betonu, aby sám zaceloval praskliny a trhliny. Bakterie přirozeně produkují vápenec, když jsou vystaveny působení vzduchu a vody. Tento nový materiál tak nejenže eliminuje potřebu nákladných oprav, ale také časem skutečně zpevňuje betonové konstrukce. Materiál lze použít nejen pro novostavby, ale i pro opravy stávajících konstrukcí. Smícháním bac-terie do specializovaných gelů před přidáním do cementu je možné, aby proces samoregenerace probíhal po staletí.

 

Vidíte světlo?

Další novinkou ve světě cementu a betonu, která otevírá oči a která má mnoho možností využití, je vývoj světélkujícího nebo fosforeskujícího cementu: cementu, který doslova svítí ve tmě.

 

Vědci v Mexiku vynalezli cementovou směs, která dokáže přes den absorbovat a uchovávat sluneční světlo a v noci pak 12 hodin vyzařovat světlo (v současné době v modrých nebo zelených odstínech). Tento materiál lze použít k osvětlení například dálnic, cyklostezek a budov pouze s využitím energie absorbované ze slunečního světla během dne. Jeho životnost je 100 let.

 

Tým přišel na důmyslný způsob, jak přeměnit krystalickou mikrostrukturu běžného cementu (která jej činí neprůhledným) na gel, který dokáže absorbovat a vyzařovat světlo. Materiál je navíc ekologický, protože se vyrábí z písku, prachu nebo hlíny a jedinou emisí při výrobě je pára. Projekt si získal mezinárodní pozornost a několik společností začíná zavádět výrobu.

 

Tvrdá síla

Další futuristickou novinkou je cement, který dokáže vést elektřinu. Vodivý cement se již používá například k uzemnění, ochraně před bleskem, elektromagnetickému rušení a výrobě termoelektrické energie. Nyní několik týmů výzkumníků po celém světě pracuje na různých způsobech, jak zvýšit vodivost betonu a posunout jeho využití na další úroveň.

 

Vědci z britské univerzity v Leedsu vyvinuli cementovou směs, která k vedení energie využívá ionty draslíku. Díky tomu mohou betonové konstrukce fungovat jako baterie a bezdrátově uchovávat a vysílat energii. To znamená, že naše domy a kanceláře by se mohly v podstatě samy napájet.

 

Dalším průlomovým produktem, na kterém se pracuje, je cementová směs s grafenem, o níž její vývojář, australská společnost Talga, tvrdí, že funguje jako topné těleso elektrického sporáku. Potenciál využití tohoto "energetizovaného" betonu je obrovský: od vyhřívaných podlah po vyhřívané silnice a chodníky, což by vytvořilo bezpečný a ekologický způsob odstraňování náledí v zimě.

 

Snad nejzajímavější možností je, že vodivý cement by mohl umožnit bezdrátové nabíjení elektrických vozidel - buď za jízdy, nebo při parkování - pomocí sluneční energie absorbované betonovým povrchem dálnice nebo parkoviště.

 

Jedná se o technologii, která by v nedaleké budoucnosti umožnila elektromobilům nahradit osobní a nákladní automobily spalující fosilní paliva a odstranit tak obrovský zdroj emisí CO₂ emise.

 

Ferrock na pomoc?

Ferrock - revoluční materiál podobný rezavému betonu, který před několika lety náhodně vyvinul jeden ekologický chemik ve Spojených státech - je jednoduchá, ale úžasná látka. Ferrock je vyroben převážně ze železného prachu a oxidu křemičitého (drceného skla), které jsou snadno dostupné z recyklace, a ve skutečnosti absorbuje, nikoliv vypouští CO₂ při jeho výrobě, což z něj činí uhlíkově negativní stavební materiál.

 

Stále probíhá výzkum toho, jak tento materiál funguje, ale v podstatě se dá říci, že CO₂ reaguje s rzí za vzniku uhličitanu železitého, který v sobě zadržuje skleníkový plyn z atmosféry. Kromě toho se Ferrock vyrábí bez nutnosti vysokých teplot a také se zpevňuje působením mořské vody. Ferrock je pětkrát pevnější než portlandský cement a mnohem pružnější, takže je vhodnější než tradiční beton, aby odolal seismické činnosti a průmyslovým procesům. Stále se vyvíjí, ale brzy se očekává jeho komerční výroba.

 

Ze Země na Mars a zpět

Tým architektů a designérů z USA, který pracuje na vývoji prototypu obydlí pro život lidí na Marsu, možná vyvinul dokonalý udržitelný stavební matriál pro budoucnost na Zemi.

 

Návrhářská firma AI SpaceFactory získala od NASA půl milionu dolarů na svůj prototyp marsovského habitatu MARSHA. Tento vesmírný projekt využívá na míru vyrobenou konstrukční ma- teriálku zvanou biopolymerní čedičový kompozit, která se vyrábí z plodin, jako je kukuřice a cukrová třtina, a vyrábí se pomocí technologie 3D tisku. Tento materiál získal od NASA certifikát, že je 50% pevnější a odolnější než beton.

 

Inspirován projektem MARSHA se tým soustředil na domovskou planetu a vytvořil TERA, pozemskou verzi MARSHA, která využívá stejné polymery na rostlinné bázi. TERA je důkazem konceptu pro stavby budoucnosti. Tento stavební materiál je 100% recyklovatelný a kompostovatelný a zároveň pevnější a odolnější než tradiční beton.

 

Dřevo je nový beton

Dalším tradičním stavebním materiálem, který se znovu proměňuje v 21. století, je dřevo, které se vrací jako stavební materiál ze správných důvodů. Při správném lesním hospodaření je dřevo udržitelným stavebním materiálem, který pohlcuje a zadržuje CO₂ z atmosféry.

 

Velkou změnou ve světě dřeva je pokračující vývoj konstrukčního dřeva - superdřeva, které je pevnější, lehčí a ohnivzdornější než ocel. Někteří architekti jej nyní označují za beton budoucnosti.

 

Jedním z nejdůležitějších je křížem lepené dřevo (CLT). CLT, které bylo poprvé vyvinuto v Rakousku v 90. letech 20. století, je v podstatě superdřevo, které se vyrábí z prken z různých dřevin a spojuje se v pravém úhlu. Konstrukce z CLT mohou být předem vyrobeny mimo staveniště s velkou přesností, což umožňuje, aby je na staveništi sestavila relativně malá parta lidí téměř jako kostky Lega.

Rychlost a snadnost výstavby šetří čas i peníze.

Ačkoli se nejedná o úplnou novinku, používání konstrukčního dřeva ve stavebnictví se v posledních letech zrychlilo. V roce 2003 činila celosvětová spotřeba CLT pouhých 2 000 metrů krychlových. V roce 2018 bylo použito více než jeden milion tun.

 

Hrady z CLT

V současné době se CLT nejčastěji používá pro výstavbu nízko a středně vysokých obytných a průmyslových budov, včetně kanceláří a skladů. Ale s pokračujícím používáním konstrukčního dřeva a revizí stavebních předpisů, které umožňují stavět vyšší dřevěné konstrukce, se budeme stále častěji setkávat s něčím, co jsme dosud příliš neviděli: s dřevěnými mrakodrapy.

 

Nejnovějším uchazečem o nejvyšší dřevěnou stavbu světa je nedávno oznámená Canada Earth Tower ve Vancouveru. Plány 40podlažní budovy zahrnují 200 bytů a venkovní vertikální zahrady. Kanada - se svými velkými zásobami udržitelného dřeva - má v současné době ve výstavbě více než 500 projektů středně vysokých dřevěných budov.

 

Japonsko je dalším průkopníkem v oblasti dřevěných mrakodrapů. Společnost Sumitomo Group loni oznámila, že plánuje postavit v Tokiu nejvyšší dřevěný mrakodrap na světě. Sedmdesátipatrová budova s názvem W350 bude po dokončení vysoká 350 metrů a bude vyrobena z křížence dřeva a oceli.

 

Kromě ekologických a finančních výhod má dřevo ještě jednu dobrou vlastnost: lidé ho mají rádi. I když je třeba provést další výzkum, je již dlouho známo, že se lidé díky dřevu cítí lépe: snižuje stres, zlepšuje kvalitu ovzduší a přispívá k celkové pohodě.

 

Nano-dřevo je super

Další fascinující novinkou v oblasti dřeva je "nanodřevo", které vyvinuli vědci z Marylandské univerzity. Tento nový materiál

má jako pasivní chladicí prostředek pro nové i stávající budovy široký význam.

 

Ačkoli to zní jako špičková technologie, ukázalo se, že nanodřevo je poměrně jednoduché: tým vyvinul levný způsob, jak vzít obyčejné recyklované dřevo a odstranit z něj sloučeniny, které ho činí hnědým a tvrdým. Zůstane dřevní materiál tvořený pouze celulózovými nanovlákny a přirozenými prostory, které přenášejí vodu a živiny uvnitř živého stromu. Tento materiál se následně stlačí, aby se obnovila jeho pevnost, a přidá se hydrofobní sloučenina, aby byl vodoodpudivý.

 

Výsledkem je zářivě bílé "dřevo", které mimořádně účinně odráží a odvádí teplo a je extrémně pevné: desetkrát pevnější než dřevo a třikrát pevnější než ocel. Díky těmto dvojím vlastnostem je nanodřevo ideálním stavebním materiálem, zejména pro střešní obklady a fasády. Testy ukázaly, že je 10% účinnější při blokování tepla než polystyren nebo křemičitý aerogel a až 30krát odolnější. Přírodní nanostruktura materiálu mu umožňuje zůstat až o 4 stupně Celsia chladnější než okolní vzduch, a to i během nejteplejší části dne.

 

Výroba nanodřeva je levná (v současnosti přibližně 7 USD za metr čtvereční) a je ideální jak pro novostavby, tak pro renovaci stávajících budov. Studie ukázaly, že u budov postavených po roce 2004 může snížit náklady na energii o více než 20%. U starších budov jsou úspory ještě vyšší.

 

Tvář budoucnosti

Celoskleněné fasády se staly charakteristickým prvkem moderní městské krajiny. Takové budovy jsou sice stylové a elegantní, ale v podstatě jsou to také obří skleníky vyhřívané sluncem, které vyžadují obrovské množství energie na chlazení.

Podle Mezinárodní energetické agentury se množství energie spotřebované na chlazení budov od roku 2000 zdvojnásobilo a nyní představuje přibližně 14% veškeré spotřeby energie. Vysoké ekologické náklady na celoskleněné fasády vyvolaly rostoucí kampaň významných hlasů, které požadují jejich zákaz. Zatímco tato debata probíhá, řešení mohou nabídnout nové průlomové objevy.

 

Homeostatické fasády

Homeostatické (samoregulační) fasády by mohly změnit pravidla hry, pokud jde o budovy budoucnosti.

 

Systém vyvinutý týmem architektů v USA využívá špičkovou technologii pásky vetkané do dutiny dvojskla, která se smršťuje nebo rozpíná v závislosti na venkovní teplotě. Pružná páska je vyrobena ze speciálního polymerního materiálu zvaného dielektrikum, který lze polarizovat s velmi malou spotřebou energie. Pásky reagují na změny teploty a buď se smršťují, aby propouštěly teplo, nebo se roztahují, aby blokovaly sluneční světlo.

 

Vertikální lesy

Další možností, jak vytvořit fasádu budoucnosti, je doslova ji ozelenit. Vertikální zahrady jsou architekty a developery stále častěji považovány za ideální způsob, jak snížit náklady na chlazení a zároveň významně přispět ke snížení emisí CO₂ snižování emisí a čištění městského ovzduší.

 

Dobrým příkladem je oceňovaný milánský projekt Bosco Verticale (Vertikální les), který navrhl Stefano Boeri Architects. Dvojice obytných věží, dokončená v roce 2014, se tyčí do výšky 116 a 76 metrů a obsahuje více než 800 stromů a 14 000 rostlin, které představují více než 100 druhů.

 

Tým také získal zakázku na odlesnění města Liuzhou Forest City v Číně - dosud nejambicióznějšího projektu vertikálního lesa na světě. Plány počítají s vytvořením bytů pro 30 000 lidí v řadě mrakodrapů pokrytých rostlinami, které zahrnují 40 000 stromů a milion rostlin.

 

Očekává se, že stromy v Liuzhou Forest City pohltí každý rok 10 000 tun CO₂ a 57 tun látek znečišťujících ovzduší, přičemž vyprodukuje přibližně 900 tun kyslíku. Projekt sníží průměrnou teplotu vzduchu v oblasti, vytvoří hlukové bariéry a podpoří biologickou rozmanitost vytvořením prostředí pro ptáky a hmyz.

 

Řízení klimatizace

Méně nápadnou, ale neméně důležitou změnou pro stavební prostředí je nový průlomový objev, díky němuž jsou stávající systémy regulace klimatu v budovách exponenciálně účinnější.

 

Systémy vytápění, větrání a klimatizace (HVAC) využívající turbulentní výměnu tepla jsou způsobem, jakým většina budov na světě reguluje své vnitřní klima. Tyto systémy se významně podílejí na spotřebě energie v zastavěném prostředí po celém světě.

 

Společný tým výzkumníků z USA a Číny se snaží o rozruch ve světě vzduchotechniky díky relativně malé inovaci s velkým potenciálem. Tým vzal organickou sloučeninu známou jako HFE, která je jedinou kapalinou používanou v některých systémech výměny tepla, a přidal ji do systému výměny tepla na bázi vody, aby zjistil, co se stane.

 

Po třech letech práce jsou výsledky působivé. Tým zjistil, že přidáním 1% HFE do systému HVAC s výměnou tepla na bázi vody lze zvýšit jeho účinnost o ohromujících 500%, protože kapičky HFE ve vodě urychlují proces výměny tepla v celém systému.

 

Jedním ze současných omezení tohoto průlomového řešení je, že funguje pouze pro vertikální výměnu tepla. Probíhají úpravy, které by tuto techniku upravily pro horizontální systémy výměny tepla. elastomery potažené stříbrem.