A jövőbiztos jövő építése

Az építőipar önmagában több mint 10%-ért felelős a világ CO₂ kibocsátást - ötször többet, mint a globális légi közlekedés. Ennek a nagy szénlábnyomnak az egyik legnagyobb forrása a beton és annak fő összetevője, a cement. Ha a globális cementgyártás külön ország lenne, akkor a világ harmadik legnagyobb CO₂ kibocsátó Kína és az Egyesült Államok után. A jó hír az, hogy az épített környezet radikális újragondolása már folyamatban van annak érdekében, hogy drasztikusan csökkentsük a szén-dioxid-kibocsátást, és a jelenlegi modellről egy fenntartható, zárt körfolyamatú rendszerre térjünk át.

 

A jó hír

Nagy előrelépés történt az új anyagok és megközelítések széles skálájának kifejlesztése és piacra vitele terén, hogy az épített környezetet fenntarthatóvá tegyük a jelen és a jövő számára. Ide tartozik a környezetbarát cement és beton következő generációja, amely nemcsak radikálisan csökkentheti a szén-dioxid-kibocsátást, hanem idővel a beton szén-dioxid-negatív anyaggá válhat. Világszerte olyan speciális alternatív betonok kifejlesztésén dolgoznak a csapatok, amelyek képesek olyan dolgokra, mint a napenergia összegyűjtése, tárolása és továbbítása elektromos áramként vagy fényként, működési költségek és káros kibocsátások nélkül.

 

Az olyan természetes anyagok, mint a fa, szintén újragondolásra kerülnek, mint az épített környezet megoldásának részei. A faipari technológiák fejlődése nemcsak szerkezetileg teszi lehetővé, hanem gazdaságilag is életképessé, hogy a magas épületeket acél helyett fából készült gerendákkal építsék. A mesterséges fa egyéb előnyökkel is jár, többek között a szén-dioxid megkötése, a passzív hűtés és a természetes anyagok által kiváltott általános jó közérzet.

 

A listát kiegészíti, hogy a nanotechnológiák új fejlesztései lehetővé teszik az önszabályozó épülethomlokzatok bevezetését, míg a HVAC-rendszerek terén elért áttörések lehetővé teszik az energiafogyasztás jelentős csökkentését. Nincs egyetlen megoldás, amely a kulcsot jelentené. Ez egy olyan eset, ahol minél több jó ötletünk van, annál jobb. A betondzsungel zölddé tétele A beton mindenütt jelen van. Évente több mint 10 milliárd tonnát használnak fel belőle világszerte, ami a bolygó legtöbbet használt ember alkotta anyagává teszi - és a víz után a második legtöbbet használt anyaggá a Földön.

 

A beton iránti növekvő globális kereslet kielégítésére jelenleg évente több mint 4,5 milliárd tonna cementet állítanak elő. A cementgyártás pedig - legalábbis az iparági szabványos portlandcementek többségének előállítása során - olyan energiaigényes folyamat, amely nagy mennyiségű CO₂.

 

A kibocsátások fő forrása a klinker előállítása, amelyhez a mészkövet akár 1500 Celsius-fokos hőmérsékletre kell hevíteni - ez körülbelül kétszer olyan forró, mint az olvadt láva. Bár a felhasznált energia nagyrészt fosszilis tüzelőanyagokból származik, a szén-dioxid-kibocsátás 60%-nyi része a klinker előállítása során lejátszódó kémiai reakciókból származik.

 

Környezetbarát cement

A cement esetében az egyik megoldás az, hogy a klinkert egy másik, jóindulatúbb anyaggal helyettesítik. A Princeton Egyetem kutatói kimutatták, hogy cementszerű anyagokat lehet előállítani ipari tevékenységekből származó újrahasznosított melléktermékekből, például acélsalakból, széntüzelésű erőművekből származó pernyéből és bizonyos agyagokból. Ez a technika, amely még csak a fejlesztési fázisban van, az ipari hulladékok újrahasznosítása és a szén-dioxid megkötése mellett további előnyökkel is jár, csökkentheti a CO₂ kibocsátást akár 80%-tal is csökkentheti a hagyományos portlandcement előállításához képest.

 

Egy másik lehetséges megoldás, amelyet a UCLA építőanyagok kémiájával foglalkozó laboratóriumában fejlesztenek, egy egyedülálló cementszerű anyag, amelyet az ipari szén-dioxid-kibocsátásból származó C02 újrahasznosításával állítanak elő, további feldolgozás nélkül. Az anyag, amelyet a UCLA csapata "CO₂N-CRETE", amelyet úgy állítanak elő, hogy a leválasztott CO₂ a füstgázból, és más elemekkel kombinálva kémiai reakciót vált ki, amelyet aztán 3D nyomtatókkal állítanak elő. A jelenlegi kísérleti projekt napi 10 tonnát termel, a második fázisban pedig a termelés elérheti a napi 100 tonnát.

 

Az Egyesült Királyságban, az Aberdeeni Egyetem kutatói egy szén-dioxid-leválasztó gépnek nevezett eszközön dolgoznak. Az eszköz a CO₂ és olyan anyagokká alakítja át, amelyek helyettesíthetik az őrölt kalcium-karbonátot - egy másik CO₂-intenzív összetevő, amelyet a beton előállításához használnak. Bár a technológia még a fejlesztés korai szakaszában van, fontos szerepet játszhat a CO₂ a betongyártásból.

 

A repedések kijavítása

A modern beton egyik nagy problémája, hogy nem tartós. Sok modern betonszerkezet 50 éven belül elkezd romlani. A javítások költségesek, és sok szerkezetet egyszerűen lebontanak hatékony újrahasznosítás nélkül. De mi lenne, ha a beton meg tudná javítani önmagát?

 

Az ötlet nem túlzás - az ókori rómaiak már több mint 2000 évvel ezelőtt kifejlesztették az öngyógyító betonkeverékeket, amelyek kiállták az idők próbáját. A legújabb elemzésekből kiderül, hogy a rómaiak vulkáni hamu és kőzetek, mész és tengervíz keverékéből készítették a betont. Az eljárás - amelyet a modern tudomány még nem tudott teljesen lemásolni - egy ritka hidrotermikus ásványt eredményez, amely idővel megerősíti a betont.

 

A kutatók napjainkban megoldásokon dolgoznak, hogy öngyógyító cementet fejlesszenek ki a modern világ igényeinek kielégítésére. A hollandiai Delft Egyetem egyik csapata vezető szerepet vállalt egy olyan baktériumokkal átitatott betonkeverék kifejlesztésében, amely lehetővé teszi a beton számára, hogy saját maga gyógyítsa meg a repedéseket és repedéseket. A baktériumok természetes módon mészkövet termelnek, ha levegővel és vízzel érintkeznek. Így ez az új anyag nem csak a költséges javítások szükségességét küszöböli ki, de idővel a betonszerkezeteket is erősíti. Az anyag nemcsak új épületeknél, hanem meglévő szerkezetek javításánál is használható. A bac-teria speciális zselékké keverése a cementhez való hozzáadás előtt lehetővé teszi, hogy az öngyógyító folyamat évszázadokon át folytatódjon.

 

Látod a fényt?

A cement és a beton világában egy másik szemet gyönyörködtető innováció - amely számos alkalmazási lehetőséget rejt magában - a fénykibocsátó vagy foszforeszkáló cement kifejlesztése: olyan cement, amely szó szerint világít a sötétben.

 

Mexikói kutatók olyan cementkeveréket találtak fel, amely napközben képes elnyelni és tárolni a napfényt, majd éjszaka 12 órán keresztül fényt bocsát ki (jelenleg kék vagy zöld árnyalatban). Az anyagot olyan dolgok megvilágítására lehet használni, mint az autópályák, kerékpárutak és épületek, kizárólag a napfényből napközben elnyelt energiát használva. Az élettartama 100 év.

 

A csapat kitalált egy zseniális módszert arra, hogy a hagyományos cement kristályos mikroszerkezetét (amely átlátszatlanná teszi azt) olyan géllé alakítsák át, amely képes elnyelni és kibocsátani a fényt. Az anyag ráadásul környezetbarát is, mivel homokból, porból vagy agyagból készül, és az előállítás során csak gőzt bocsát ki. A projekt nemzetközi figyelmet keltett, és több vállalat is megkezdte a gyártást.

 

Kemény energia

Egy másik futurisztikus újítás az elektromosságot vezetni képes cement. A vezető cementet már most is használják például elektromos földelésre, villámvédelemre, elektromágneses interferenciára és termoelektromos energiatermelésre. Most világszerte több kutatócsoport dolgozik a beton vezetőképességének fokozásán, hogy a beton alkalmazása a következő szintre lépjen.

 

Az angliai Leeds Egyetem kutatói olyan cementvegyületet fejlesztettek ki, amely káliumionokat használ az energiavezetéshez. Ez lehetővé teszi, hogy a betonszerkezetek akkumulátorként működjenek, és vezeték nélkül tárolják és adják le az energiát. Ez azt jelenti, hogy otthonaink és irodáink tulajdonképpen saját magukat táplálhatják.

 

Egy másik áttörés a készülő grafénnel kevert cementkeverék, amely fejlesztője, az ausztrál Talga vállalat szerint úgy működik, mint egy elektromos kályha fűtőeleme. Ennek az "energetizált" betonnak a potenciális alkalmazási területei óriásiak: a fűtött padlótól kezdve a fűtött utakig és járdákig, ami biztonságos és környezetbarát módot teremtene a téli jég eltakarítására.

 

Talán a legizgalmasabb lehetőség, hogy a vezető cement lehetővé tenné az elektromos járművek vezeték nélküli töltését - akár vezetés közben, akár parkolás közben - az autópálya vagy parkoló betonfelülete által elnyelt napenergia felhasználásával.

 

Ez az a fajta játékváltó technológia, amely lehetővé tenné, hogy a nem is olyan távoli jövőben az elektromos járművek kiváltsák a fosszilis tüzelőanyaggal működő személygépkocsikat és teherautókat, megszüntetve ezzel a CO₂ kibocsátás.

 

Ferrock a megmentő?

A Ferrock - egy forradalmi, rozsdaszínű, betonszerű anyag, amelyet néhány évvel ezelőtt véletlenül fejlesztett ki egy környezetkémikus az Egyesült Államokban - egy egyszerű, mégis csodálatos anyag. A főként vasporból és szilícium-dioxidból (zúzott üvegből) készült Ferrock, melyeket az újrahasznosítás során könnyen beszerezhetünk, valójában elnyeli, nem pedig kibocsátja a CO₂ a gyártási folyamat során, így szén-dioxid-negatív építőanyaggá válik.

 

A kutatások még folynak annak feltárására, hogy az anyag hogyan teszi, amit tesz, de lényegében a CO₂ a rozsdával reakcióba lépve vaskarbonátot képez, és az üvegházhatású gázt a légkörből magába zárja. Ezenkívül a Ferrockot magas hőmérséklet nélkül állítják elő, és tengervízzel érintkezve is megerősödik. A Ferrock ötször erősebb, mint a portlandcement, és sokkal rugalmasabb, így a hagyományos betonnál jobban ellenáll a szeizmikus tevékenységnek és az ipari folyamatoknak. Még fejlesztés alatt áll, de hamarosan várható a kereskedelmi gyártás.

 

A Földről a Marsra és vissza

Egy amerikai építészekből és tervezőkből álló csapat, amely egy olyan lakóhely prototípusának kifejlesztésén dolgozik, amely az emberi élet fenntartását szolgálja a Marson, talán kifejlesztette a Földön a jövő végső fenntartható építési modelljét.

 

Az AI SpaceFactory tervezőcég félmillió dollárt nyert a NASA-tól a MARSHA nevű marslakó prototípusára. Az űrkorszakot idéző konstrukció a biopolimer bazaltkompozit nevű, egyedi építőanyagot használja, amelyet olyan növényekből állítanak elő, mint a kukorica és a cukornád, és 3D nyomtatási technológiával gyártanak. A NASA igazolta, hogy az anyag 50% erősebb és tartósabb, mint a beton.

 

A MARSHA által inspirálva a csapat itthon is összpontosította figyelmét, és megalkotta a TERA-t, a MARSHA földi változatát, amely ugyanezeket a növényi alapú polimereket használja. A TERA a jövő építményeinek koncepciója. Az építőanyag 100% újrahasznosítható és komposztálható, ugyanakkor erősebb és tartósabb, mint a hagyományos beton.

 

A fa az új beton

Egy másik hagyományos építőanyag, amelyet a 21. században újragondolnak, a fa, amely építőanyagként minden jó okból visszatérőben van. Megfelelő erdőgazdálkodással a fa fenntartható építőanyag, amely elnyeli és megköti a CO₂ a légkörből.

 

A fa világában a nagy változás a mesterséges faanyagok folyamatos fejlesztése - ez a szuperfa erősebb, könnyebb és tűzállóbb, mint az acél. Egyes építészek már a jövő betonjaként írják le.

 

Ezek közül az egyik legfontosabb a keresztrétegelt faanyag (CLT). A CLT-t először Ausztriában fejlesztették ki az 1990-es években, és alapvetően egy szuper rétegelt lemez, amelyet különböző fafajtákból készült deszkákból, derékszögben történő összekötésével állítanak elő. A CLT-konstrukciókat a helyszínen nagy pontossággal elő lehet gyártani, így az építkezésen viszonylag kis létszámú személyzet szinte a Lego-kockákhoz hasonlóan össze lehet őket rakni.

Az építés gyorsasága és egyszerűsége időt és pénzt takarít meg.

Bár nem egészen új keletű, a műanyagokból készült fa építőipari felhasználása az elmúlt években felgyorsult. 2003-ban a CLT felhasználása világszerte mindössze 2000 köbméter volt. A 2018-as évben már több mint egymillió tonnát használtak fel.

 

CLT-ből készült kastélyok

Jelenleg a legtöbb CLT-t alacsony és középmagas lakó- és ipari épületek, köztük irodák és raktárak építésére használják. De ahogy a mesterséges faanyagok használata folytatódik, és az építési szabályzatok felülvizsgálata lehetővé teszi a magasabb faszerkezetek építését, egyre több olyasmit fogunk látni, amit eddig nem nagyon láttunk: a fából készült felhőkarcolókat.

 

A világ legmagasabb faépítménye cím legújabb várományosa a nemrég bejelentett Canada Earth Tower Vancouverben. A 40 emeletes épület tervei 200 lakást és szabadtéri függőleges kerteket tartalmaznak. Kanadában - ahol nagy a fenntartható faanyagkínálat - jelenleg több mint 500 középmagas faépület építése van folyamatban.

 

Japán szintén úttörőnek számít a fából készült felhőkarcolók terén. Tavaly a Sumitomo Group bejelentette, hogy Tokióban tervezi a világ legmagasabb fából készült felhőkarcolójának megépítését. A W350 nevű 70 emeletes épület 350 méter magas lesz, amikor elkészül, és fa és acél hibridjéből készül majd.

 

Az ökológiai és költségelőnyök mellett van még egy jó dolog a fában: az emberek szeretik. Bár még több kutatásra van szükség, a fa régóta ismert arról, hogy az emberek jobban érzik magukat tőle: csökkenti a stresszt, javítja a levegő minőségét és elősegíti az általános jó közérzetet.

 

A nano-fa menő

Egy másik lenyűgöző újítás a faanyagok terén a Marylandi Egyetem kutatói által kifejlesztett "nanofa". Ez az új anyag

passzív hűtőközegként széleskörűen alkalmazható mind az új, mind a meglévő épületek esetében.

 

Bár high-technek hangzik, a nanofa viszonylag egyszerűnek bizonyul: a csapat kifejlesztett egy olcsó módszert arra, hogy a közönséges, újrahasznosított fából eltávolítsák azokat a vegyületeket, amelyek barnává és keménnyé teszik azt. Ami megmarad, az egy olyan faanyag, amely csak cellulóz nanoszálakból és azokból a természetes terekből áll, amelyek a vizet és a tápanyagokat szállítják az élő fán belül. Ezt az anyagot ezután összenyomják, hogy visszaadják a szilárdságát, és hidrofób vegyületet adnak hozzá, hogy víztaszítóvá tegyék.

 

Az eredmény egy ragyogó fehér "fa", amely rendkívül hatékonyan tükrözi és elvezeti a hőt, és rendkívül erős: tízszer erősebb, mint a fa, és háromszor erősebb, mint az acél. Ez a kettős tulajdonság teszi a nanofát ideális építőanyaggá, különösen a tetőcserép és a homlokzatok esetében. A tesztek szerint 10%-rel hatékonyabb a hőelnyelésben, mint a hungarocell vagy a szilika aerogél, és akár 30-szor tartósabb. Az anyag természetes nanoszerkezete lehetővé teszi, hogy akár 4 Celsius-fokkal hűvösebb maradjon a körülötte lévő levegőnél, még a legmelegebb napszakban is.

 

A nano fát olcsón lehet előállítani (jelenleg körülbelül 7 USD/négyzetméter), és ideális mind új építkezésekhez, mind meglévő épületek felújításához. Tanulmányok kimutatták, hogy a 2004 után épült épületek esetében több mint 20%-tal csökkentheti az energiaköltségeket. A régebbi épületek esetében a megtakarítás még nagyobb.

 

A jövő arca

A modern városkép nagy részét az üveghomlokzatok határozzák meg. Az ilyen épületek stílusosak és elegánsak lehetnek, de valójában hatalmas üvegházak, amelyeket a nap melegít fel, és amelyek hűtése hatalmas mennyiségű energiát igényel.

A Nemzetközi Energiaügynökség szerint az épületek hűtésére felhasznált energia mennyisége 2000 óta megduplázódott, és jelenleg az összes energiafelhasználás mintegy 141 TP3T-jét teszi ki. Az üveghomlokzatok magas környezeti költségei egyre nagyobb kampányt indítottak el, amelynek során egyre több prominens hang szólalt fel a betiltásukért. Miközben a vita folyik, az új áttörések megoldást jelenthetnek.

 

Homeosztatikus homlokzatok

A homeosztatikus (önszabályozó) homlokzatok megváltoztathatják a jövő épületeit.

 

Az Egyesült Államokban egy építészcsoport által kifejlesztett rendszer egy csúcstechnológiás szalagot használ, amely a dupla héjú üveg üregébe van szőve, és a külső hőmérséklet függvényében összehúzódik vagy kitágul. A rugalmas szalag egy speciális, dielektrikumnak nevezett polimer anyagból készül, amely nagyon kis energiafelhasználással polarizálható. A szalagok reagálnak a hőmérséklet változására, és vagy összehúzódnak, hogy beengedjék a meleget, vagy kitágulnak, hogy elzárják a napfényt.

 

Függőleges erdők

A jövő homlokzatának egy másik csavarja, hogy szó szerint zölddé teszi azt. Az építészek és a fejlesztők egyre inkább úgy tekintenek a függőleges kertekre, mint a hűtési költségek csökkentésének ideális módjára, miközben jelentős mértékben hozzájárulnak a CO₂ csökkentés és a városi levegő tisztítása.

 

Jó példa erre a Stefano Boeri Architects által tervezett, díjnyertes milánói Bosco Verticale (Függőleges erdő) projekt. A 2014-ben elkészült ikertornyok 116 és 76 méter magasra emelkednek, és több mint 800 fát és 14 000 növényt tartalmaznak, amelyek több mint 100 fajt képviselnek.

 

A csapat elnyerte a megbízást a kínai Liuzhou Forest City - a világ eddigi legambiciózusabb vertikális erdőprojektjének - megtervezésére is. A tervek szerint 30 000 ember számára alakítanak ki lakásokat egy sor növényzettel borított felhőkarcolóban, 40 000 fa és egymillió növény bevonásával.

 

A Liuzhou Forest City fái évente várhatóan 10 000 tonna CO₂ és 57 tonna légszennyező anyagot, miközben mintegy 900 tonna oxigént termel. A projekt csökkenti a térség átlagos léghőmérsékletét, zajvédő falakat hoz létre, és a madarak és rovarok számára élőhelyet teremtve növeli a biológiai sokféleséget.

 

Klímaszabályozás

Az épített környezet számára kevésbé figyelemfelkeltő, de nem kevésbé fontos fejlesztés egy új áttörés, amely exponenciálisan hatékonyabbá teszi az épületek meglévő klímaberendezéseit.

 

A világ épületeinek többsége a turbulens hőcserét alkalmazó fűtési, szellőztetési és légkondicionáló (HVAC) rendszerek segítségével szabályozza belső klímáját. Ezek a rendszerek világszerte jelentős mértékben hozzájárulnak az épített környezet energiafelhasználásához.

 

Egy amerikai és kínai kutatókból álló közös kutatócsoport egy viszonylag kis, de nagy potenciállal rendelkező innovációval kelt hullámokat a HVAC világában. A csapat fogott egy HFE nevű szerves vegyületet, amelyet egyes hőcserélő rendszerekben egyedüli folyadékként használnak, és hozzáadta egy vízalapú hőcserélő rendszerhez, hogy megnézze, mi fog történni.

 

Három évnyi bütykölés után az eredmények lenyűgözőek. A csapat megállapította, hogy 1% HFE hozzáadása egy vízalapú hőcserélő HVAC-rendszerhez megdöbbentő 500%-tal növelheti annak hatékonyságát, mivel a vízben lévő HFE-cseppek felgyorsítják a hőcsere folyamatát az egész rendszerben.

 

Ennek az áttörésnek az egyik jelenlegi korlátja, hogy csak függőleges hőcsere esetén működik. Jelenleg folyamatban van a technika adaptálása a vízszintes hőcserélő rendszerekhez.ezüsttel bevont elasztomerek.