Costruire un futuro a prova di futuro

Da solo, il settore delle costruzioni è responsabile di oltre 10% delle emissioni di CO2 del mondo.₂ emissioni di CO2, cinque volte superiori a quelle dei viaggi aerei globali. Una delle principali fonti di questa pesante impronta di carbonio è il calcestruzzo e il suo ingrediente principale, il cemento. Se il settore globale del cemento fosse un paese separato, sarebbe la terza maggiore emittente di CO2 al mondo.₂ emettitore dopo Cina e Stati Uniti. La buona notizia è che è già in corso un radicale ripensamento dell'ambiente costruito per ridurne drasticamente l'impronta di carbonio e passare dal modello attuale a un sistema sostenibile a circuito chiuso.

 

La buona notizia

Sono stati compiuti molti progressi nello sviluppo e nell'immissione sul mercato di un'ampia gamma di nuovi materiali e approcci all'ambiente costruito, per renderlo sostenibile oggi e domani. Tra questi rientra la prossima generazione di cemento e calcestruzzo ecocompatibili che non solo possono ridurre radicalmente le emissioni di carbonio, ma che, nel tempo, hanno il potenziale per rendere il calcestruzzo un materiale a emissioni negative di carbonio. Team di tutto il mondo sono inoltre impegnati in un lavoro pionieristico per sviluppare calcestruzzi alternativi specializzati in grado di catturare, immagazzinare e trasmettere l'energia solare sotto forma di elettricità o luce, senza costi operativi o emissioni nocive.

 

Anche i materiali naturali come il legno stanno subendo un ripensamento come parte della soluzione per l'ambiente costruito. I progressi nel settore del legno ingegnerizzato rendono non solo strutturalmente possibile, ma anche economicamente sostenibile, la costruzione di grattacieli con travi in legno ingegnerizzato anziché in acciaio. Il legno ingegnerizzato offre altri vantaggi, tra cui la cattura del carbonio, il raffreddamento passivo e il benessere generale che questo materiale naturale genera.

 

A ciò si aggiungono i nuovi sviluppi nelle nanotecnologie che stanno consentendo l'implementazione di facciate edilizie autoregolanti, mentre le innovazioni nei sistemi HVAC stanno rendendo possibile una significativa riduzione del consumo energetico. Non esiste una soluzione unica. Questo è un caso in cui più buone idee abbiamo, meglio è. Rendere verde la giungla di cemento Il cemento è ovunque. Ogni anno, oltre 10 miliardi di tonnellate vengono consumate in tutto il mondo, il che lo rende il materiale artificiale più utilizzato sul pianeta e la seconda sostanza più utilizzata sulla Terra dopo l'acqua.

 

Per soddisfare la crescente domanda globale di calcestruzzo, attualmente vengono prodotte oltre 4,5 miliardi di tonnellate di cemento ogni anno. E la produzione di cemento – almeno nel modo in cui viene prodotta oggi la maggior parte dei cementi Portland standard del settore – è un processo ad alta intensità energetica che emette enormi quantità di CO.₂.

 

La principale fonte di emissioni è la produzione di clinker, che richiede il riscaldamento del calcare a temperature fino a 1.500 gradi Celsius, circa il doppio di quelle della lava fusa. Sebbene l'energia utilizzata provenga principalmente da combustibili fossili, ben il 60% delle emissioni di carbonio proviene dalle reazioni chimiche che avvengono durante la produzione di clinker.

 

Cemento ecologico

Una soluzione per il cemento è quella di sostituire il clinker con un altro materiale più innocuo. I ricercatori della Princeton University hanno dimostrato che è possibile realizzare materiali simili al cemento utilizzando sottoprodotti riciclati provenienti da attività industriali, tra cui scorie di acciaio, ceneri volanti provenienti da centrali elettriche a carbone e alcune argille. Sebbene sia ancora in fase di sviluppo, questa tecnica, che ha l'ulteriore vantaggio di riciclare i rifiuti industriali e catturare il carbonio, potrebbe ridurre le emissioni di CO₂ emissioni fino a 80% rispetto alla produzione del cemento Portland tradizionale.

 

Un'altra possibile soluzione in fase di sviluppo presso il Laboratorio di Chimica dei Materiali da Costruzione dell'UCLA è un materiale unico simile al cemento, prodotto riciclando la CO2 derivante dalle emissioni industriali di carbonio, senza la necessità di ulteriori lavorazioni. Il materiale, che il team dell'UCLA chiama "CO₂N-CRETE”, viene prodotto prendendo la CO catturata₂ dai gas di scarico e combinandoli con altri elementi per innescare una reazione chimica, che viene poi realizzata utilizzando stampanti 3D. L'attuale progetto pilota produce fino a 10 tonnellate al giorno e nella seconda fase la produzione dovrebbe raggiungere le 100 tonnellate al giorno.

 

Nel Regno Unito, i ricercatori dell'Università di Aberdeen stanno lavorando a qualcosa che chiamano Carbon Capture Machine. Il dispositivo cattura la CO₂ e lo converte in materiali che possono sostituire il carbonato di calcio macinato, un altro CO₂ingrediente ad alta intensità di carbonio utilizzato per produrre calcestruzzo. Sebbene sia ancora nelle prime fasi di sviluppo, la tecnologia potrebbe svolgere un ruolo importante nell'eliminazione di CO₂ dalla produzione del calcestruzzo.

 

Riparare le crepe

Uno dei grandi problemi del calcestruzzo moderno è la sua scarsa durata. Molte strutture moderne in calcestruzzo iniziano a degradarsi entro 50 anni. Le riparazioni sono costose e molte strutture vengono semplicemente demolite senza un efficace riciclaggio. Ma cosa succederebbe se il calcestruzzo potesse ripararsi da solo?

 

L'idea non è peregrina: gli antichi Romani svilupparono miscele di calcestruzzo autorigeneranti più di 2.000 anni fa che hanno resistito alla prova del tempo. Recenti analisi rivelano che i Romani producevano il loro calcestruzzo da una miscela di cenere e rocce vulcaniche, calce e acqua di mare. Il processo, che la scienza moderna non è stata in grado di replicare completamente, provoca la crescita di un raro minerale idrotermale, che rafforza il calcestruzzo nel tempo.

 

Oggi i ricercatori stanno lavorando a soluzioni per sviluppare un cemento autoriparante che soddisfi le esigenze del mondo moderno. Un team dell'Università di Delft, nei Paesi Bassi, ha assunto l'iniziativa di sviluppare una miscela di calcestruzzo arricchita con batteri che consente al calcestruzzo di autoripararsi crepe e fessure. I batteri producono naturalmente calcare quando esposti all'aria e all'acqua. Pertanto, questo nuovo materiale non solo elimina la necessità di costose riparazioni, ma rafforza anche le strutture in calcestruzzo nel tempo. Il materiale può essere utilizzato non solo per nuovi edifici, ma anche per la riparazione di strutture esistenti. La miscelazione dei batteri in gel specializzati prima dell'aggiunta al cemento consente al processo di autoriparazione di durare per secoli.

 

Vedi la luce?

Un'altra innovazione rivoluzionaria nel mondo del cemento e del calcestruzzo, con numerose potenziali applicazioni, è lo sviluppo del cemento fosforescente o emettitore di luce: un cemento che letteralmente brilla al buio.

 

Ricercatori in Messico hanno inventato una miscela di cemento in grado di assorbire e immagazzinare la luce solare durante il giorno e poi emettere luce (attualmente in tonalità di blu o verde) per 12 ore durante la notte. Il materiale può essere utilizzato per illuminare autostrade, piste ciclabili ed edifici utilizzando solo l'energia assorbita dalla luce solare durante il giorno. Ha una durata di 100 anni.

 

Il team ha escogitato un modo ingegnoso per trasformare la microstruttura cristallina del cemento tradizionale (che lo rende opaco) in un gel in grado di assorbire ed emettere luce. Il materiale è anche ecologico, poiché è ricavato da sabbia, polvere o argilla e l'unica emissione durante il processo produttivo è il vapore acqueo. Il progetto ha attirato l'attenzione internazionale e diverse aziende stanno iniziando a implementarne la produzione.

 

Potere duro

Un'altra innovazione futuristica è il cemento conduttore di elettricità. Il cemento conduttivo è già utilizzato per applicazioni come la messa a terra elettrica, la protezione dai fulmini, le interferenze elettromagnetiche e la generazione di energia termoelettrica. Ora, diversi team di ricercatori in tutto il mondo stanno lavorando a vari modi per migliorare la conduttività del calcestruzzo e portarne le applicazioni a un livello superiore.

 

I ricercatori dell'Università di Leeds, nel Regno Unito, hanno sviluppato un composto cementizio che utilizza ioni di potassio per condurre energia. Questo permette alle strutture in calcestruzzo di fungere da batterie per immagazzinare ed emettere energia in modalità wireless. Ciò significa che le nostre case e i nostri uffici potrebbero, di fatto, autoalimentarsi.

 

Un'altra svolta in fase di sviluppo è una miscela di cemento arricchita di grafene che, secondo il suo sviluppatore, l'azienda australiana Talga, agisce come l'elemento riscaldante di una stufa elettrica. Le potenziali applicazioni di questo calcestruzzo "energizzato" sono immense: dai pavimenti riscaldati alle strade e ai marciapiedi riscaldati, che creerebbero un modo sicuro ed ecologico per rimuovere il ghiaccio in inverno.

 

Forse la possibilità più entusiasmante è che il cemento conduttivo possa consentire la ricarica wireless dei veicoli elettrici, sia mentre sono in movimento che quando sono parcheggiati, sfruttando l'energia solare assorbita dalla superficie in cemento dell'autostrada o del parcheggio.

 

Questo è il tipo di tecnologia rivoluzionaria che renderebbe possibile in un futuro non troppo lontano la sostituzione delle auto e dei camion alimentati a combustibili fossili con veicoli elettrici, eliminando un'enorme fonte di CO₂ emissioni.

 

Ferrock in soccorso?

Ferrock, un rivoluzionario materiale simile al cemento color ruggine, sviluppato casualmente qualche anno fa da un chimico ambientale negli Stati Uniti, è una sostanza semplice ma sorprendente. Composto principalmente da polvere di ferro e silice (vetro frantumato), entrambi facilmente reperibili tramite riciclaggio, Ferrock assorbe CO2 anziché emetterla.₂ durante il suo processo produttivo, rendendolo un materiale da costruzione a emissioni negative di carbonio.

 

La ricerca su come il materiale fa ciò che fa è ancora in corso, ma in sostanza CO₂ Reagisce con la ruggine formando carbonato di ferro, intrappolando i gas serra presenti nell'atmosfera. Inoltre, Ferrock viene prodotto senza la necessità di alte temperature e si rinforza anche se esposto all'acqua di mare. Ferrock è cinque volte più resistente del cemento Portland e molto più flessibile, il che lo rende più adatto del calcestruzzo tradizionale a resistere all'attività sismica e ai processi industriali. Ancora in fase di sviluppo, la produzione commerciale è prevista a breve.

 

Dalla Terra a Marte e ritorno

Un team di architetti e designer negli Stati Uniti, impegnato nello sviluppo di un prototipo di habitat in grado di supportare la vita umana su Marte, potrebbe aver sviluppato il materiale da costruzione sostenibile per eccellenza per il futuro qui sulla Terra.

 

Lo studio di progettazione AI SpaceFactory ha vinto mezzo milione di dollari dalla NASA per il suo prototipo di habitat su Marte, MARSHA. Il progetto spaziale utilizza un materiale da costruzione su misura chiamato composito di basalto biopolimero, ricavato da colture come mais e canna da zucchero e fabbricato utilizzando la tecnologia di stampa 3D. Il materiale è stato certificato dalla NASA come 50% più resistente e durevole del cemento.

 

Ispirati da MARSHA, il team ha concentrato la propria attenzione qui in patria e ha ideato TERA, una versione di MARSHA basata sulla terra, utilizzando gli stessi polimeri di origine vegetale. TERA è un esempio concreto per gli edifici del futuro. Il materiale da costruzione è 100% riciclabile e compostabile, ma allo stesso tempo più resistente e durevole del calcestruzzo tradizionale.

 

Il legno è il nuovo cemento

Un altro materiale da costruzione tradizionale che sta subendo una rivisitazione nel XXI secolo è il legno, che sta tornando alla ribalta come materiale da costruzione per tutte le giuste ragioni. Con una corretta gestione forestale, il legno è un materiale da costruzione sostenibile che assorbe e trattiene la CO2.₂ dall'atmosfera.

 

Il grande cambiamento nel mondo del legno è il continuo sviluppo del legno ingegnerizzato, un super-legno più resistente, leggero e ignifugo dell'acciaio. Alcuni architetti lo descrivono ora come il calcestruzzo del futuro.

 

Uno dei più importanti è il legno lamellare incrociato (CLT). Sviluppato per la prima volta in Austria negli anni '90, il CLT è fondamentalmente un super-compensato realizzato utilizzando assi di legni diversi e incollandole tra loro ad angolo retto. Le strutture in CLT possono essere prefabbricate fuori sede con un elevato grado di precisione, consentendo di assemblarle in cantiere quasi come mattoncini Lego da una squadra relativamente piccola.

La velocità e la facilità di costruzione consentono di risparmiare tempo e denaro.

Sebbene non sia una novità assoluta, l'uso del legno ingegnerizzato per l'edilizia ha subito un'accelerazione negli ultimi anni. Nel 2003, il consumo di CLT a livello mondiale era di soli 2.000 metri cubi. Nel 2018, ne sono state utilizzate oltre un milione di tonnellate.

 

Castelli in CLT

Attualmente la maggior parte del CLT viene utilizzata per la costruzione di edifici residenziali e industriali di bassa e media altezza, inclusi uffici e magazzini. Ma con il continuo utilizzo del legno ingegnerizzato e la revisione dei codici edilizi per consentire strutture in legno più alte, assisteremo sempre più alla comparsa di qualcosa di mai visto prima: i grattacieli in legno.

 

Il nuovo contendente per il titolo di struttura in legno più alta del mondo è la Canada Earth Tower di Vancouver, recentemente annunciata. I progetti per l'edificio di 40 piani includono 200 appartamenti e giardini verticali esterni. Il Canada, con la sua ampia disponibilità di legname sostenibile, ha attualmente oltre 500 progetti di edifici in legno di media altezza in costruzione.

 

Il Giappone è un altro pioniere nei grattacieli in legno. Lo scorso anno il Gruppo Sumitomo ha annunciato il progetto di costruire a Tokyo il grattacielo in legno più alto del mondo. L'edificio di 70 piani, denominato W350, sarà alto 350 metri una volta completato e sarà realizzato con un ibrido di legno e acciaio.

 

Oltre ai vantaggi ecologici ed economici, il legno ha un altro vantaggio: piace alle persone. Sebbene siano necessarie ulteriori ricerche, è noto da tempo che il legno fa stare meglio: riduce lo stress, migliora la qualità dell'aria e favorisce il benessere generale.

 

Il nano-legno è fantastico

Un'altra affascinante innovazione nel campo del legno è il "nano-legno" sviluppato dai ricercatori dell'Università del Maryland. Questo nuovo materiale

ha implicazioni di vasta portata come agente di raffreddamento passivo sia per gli edifici nuovi che per quelli esistenti.

 

Sebbene sembri un'idea high-tech, il nano-legno si rivela relativamente semplice: il team ha sviluppato un metodo a basso costo per rimuovere i composti che lo rendono marrone e duro dal normale legno riciclato. Ciò che rimane è un materiale legnoso composto solo da nanofibre di cellulosa e dagli spazi naturali che trasportano acqua e sostanze nutritive all'interno di un albero vivo. Questo materiale viene quindi compresso per ripristinarne la resistenza e viene aggiunto un composto idrofobico per renderlo idrorepellente.

 

Il risultato è un "legno" bianco brillante, estremamente efficace nel riflettere e dissipare il calore ed estremamente resistente: dieci volte più resistente del legno e tre volte più resistente dell'acciaio. Queste doppie proprietà rendono il nano-legno ideale come materiale da costruzione, soprattutto per tegole e facciate. I test dimostrano che è più efficace del 10% nel bloccare il calore rispetto al polistirolo o all'aerogel di silice e fino a 30 volte più resistente. La nanostruttura naturale del materiale gli consente di rimanere fino a 4 gradi Celsius più fresco dell'aria circostante, anche durante le ore più calde della giornata.

 

Il nano-legno è poco costoso da produrre (attualmente circa 7 dollari al metro quadro) ed è ideale sia per le nuove costruzioni che per la ristrutturazione di edifici esistenti. Studi hanno dimostrato che per gli edifici costruiti dopo il 2004, può ridurre i costi energetici di oltre 201 tonnellate. Per gli edifici più vecchi, i risparmi sono ancora maggiori.

 

Volto del futuro

Le facciate interamente in vetro sono diventate un elemento caratterizzante di gran parte del paesaggio urbano moderno. Questi edifici possono essere eleganti e raffinati, ma sono anche, di fatto, gigantesche serre riscaldate dal sole che richiedono enormi quantità di energia per raffreddarsi.

Secondo l'Agenzia Internazionale per l'Energia, la quantità di energia utilizzata per il raffreddamento degli edifici è raddoppiata dal 2000 e ora rappresenta circa 141 tonnellate di energia termica (TP7T) del consumo energetico totale. L'elevato costo ambientale delle facciate interamente in vetro ha innescato una crescente campagna di voci autorevoli che ne chiedono il divieto. Mentre il dibattito è in corso, nuove scoperte potrebbero offrire la soluzione.

 

Facciate omeostatiche

Le facciate omeostatiche (autoregolanti) potrebbero rappresentare una svolta per gli edifici del futuro.

 

Sviluppato da un team di architetti negli Stati Uniti, il sistema utilizza un nastro ad alta tecnologia intrecciato all'interno della cavità di un vetro a doppia parete che si contrae o si espande a seconda della temperatura esterna. Il nastro flessibile è realizzato in uno speciale materiale polimerico chiamato dielettrico, che può essere polarizzato con un consumo energetico minimo. I nastri reagiscono alle variazioni di temperatura e si contraggono per far entrare il calore o si espandono per bloccare la luce solare.

 

Foreste verticali

Un'altra svolta nella facciata del futuro è quella di renderla letteralmente verde. I giardini verticali sono sempre più visti da architetti e sviluppatori come una soluzione ideale per ridurre i costi di raffreddamento, fornendo al contempo un contributo significativo alle emissioni di CO2.₂ riduzione e purificazione dell'aria urbana.

 

Un buon esempio è il pluripremiato progetto Bosco Verticale di Milano, progettato da Stefano Boeri Architetti. Completate nel 2014, le torri residenziali gemelle raggiungono altezze di 116 e 76 metri e ospitano oltre 800 alberi e 14.000 piante, rappresentanti oltre 100 specie.

 

Il team si è anche aggiudicato l'incarico di progettare la Liuzhou Forest City in Cina, il progetto di foresta verticale più ambizioso al mondo fino ad oggi. Il progetto prevede la creazione di appartamenti per 30.000 persone all'interno di una serie di grattacieli ricoperti di vegetazione, con 40.000 alberi e un milione di piante.

 

Si prevede che ogni anno gli alberi della Liuzhou Forest City assorbano 10.000 tonnellate di CO₂ e 57 tonnellate di inquinanti atmosferici, producendo al contempo circa 900 tonnellate di ossigeno. Il progetto ridurrà la temperatura media dell'aria nella zona, creerà barriere antirumore e stimolerà la biodiversità creando un habitat per uccelli e insetti.

 

Controllo del clima

Uno sviluppo meno appariscente ma non meno importante per l'ambiente costruito è una nuova svolta che rende gli attuali sistemi di climatizzazione degli edifici esponenzialmente più efficienti.

 

I sistemi di riscaldamento, ventilazione e condizionamento dell'aria (HVAC) che sfruttano lo scambio termico turbolento sono il modo in cui la maggior parte degli edifici nel mondo regola il proprio clima interno. Questi sistemi contribuiscono in modo significativo al consumo energetico dell'ambiente costruito in tutto il mondo.

 

Un team congiunto di ricercatori statunitensi e cinesi sta rivoluzionando il mondo degli impianti HVAC con un'innovazione relativamente piccola ma dal grande potenziale. Il team ha preso un composto organico noto come HFE, l'unico fluido utilizzato in alcuni sistemi di scambio termico, e lo ha aggiunto a un sistema di scambio termico a base d'acqua per vedere cosa sarebbe successo.

 

Dopo tre anni di sperimentazioni, i risultati sono impressionanti. Il team ha stabilito che l'aggiunta di 1% HFE a un sistema HVAC con scambio termico ad acqua può aumentarne l'efficienza di ben 500%, poiché le goccioline di HFE nell'acqua accelerano il processo di scambio termico in tutto il sistema.

 

Un limite attuale di questa innovazione è che funziona solo per lo scambio termico verticale. Sono in corso adattamenti per modificare la tecnica per i sistemi di scambio termico orizzontale. elastomeri rivestiti in argento.