Budowanie przyszłości odpornej na wyzwania przyszłości

Sama branża budowlana jest odpowiedzialna za ponad 10% światowej emisji CO₂ pięć razy więcej niż globalne podróże lotnicze. Jednym z największych źródeł tak dużego śladu węglowego jest beton i jego główny składnik - cement. Gdyby światowy sektor cementu był oddzielnym krajem, byłby trzecim co do wielkości emitentem CO₂ po Chinach i Stanach Zjednoczonych. Dobrą wiadomością jest to, że radykalne przemyślenie środowiska zbudowanego jest już w toku, aby drastycznie zmniejszyć jego ślad węglowy i przejść od obecnego modelu do zrównoważonego systemu o obiegu zamkniętym.

 

Dobra wiadomość

Poczyniono znaczne postępy w opracowywaniu i wprowadzaniu na rynek szerokiej gamy nowych materiałów i podejść do środowiska zbudowanego, aby uczynić je zrównoważonym na dziś i na przyszłość. Obejmuje to nową generację przyjaznego dla środowiska cementu i betonu, które nie tylko mogą radykalnie zmniejszyć emisję dwutlenku węgla, ale z czasem mogą sprawić, że beton stanie się materiałem neutralnym pod względem emisji dwutlenku węgla. Zespoły na całym świecie są również zaangażowane w przełomowe prace nad opracowaniem specjalistycznych alternatywnych betonów, które mogą przechwytywać, przechowywać i przesyłać energię słoneczną w postaci energii elektrycznej lub światła bez kosztów operacyjnych i szkodliwych emisji.

 

Naturalne materiały, takie jak drewno, również stają się częścią rozwiązań dla środowiska budowlanego. Postępy w inżynierii drewna sprawiają, że budowanie wieżowców z wykorzystaniem drewnianych belek zamiast stali jest nie tylko możliwe pod względem konstrukcyjnym, ale także opłacalne ekonomicznie. Drewno inżynieryjne ma również inne zalety, w tym wychwytywanie dwutlenku węgla, pasywne chłodzenie i ogólne dobre samopoczucie, które zapewnia naturalny materiał.

 

Nowe osiągnięcia w dziedzinie nanotechnologii umożliwiają wprowadzenie samoregulujących się fasad budynków, podczas gdy przełomowe rozwiązania w systemach HVAC umożliwiają znaczne zmniejszenie zużycia energii. Żadne rozwiązanie nie jest kluczem do sukcesu. Jest to przypadek, w którym im więcej mamy dobrych pomysłów, tym lepiej. Ekologizacja betonowej dżungli Beton jest wszędzie. Każdego roku na całym świecie zużywa się go ponad 10 miliardów ton, co czyni go najczęściej wykorzystywanym przez człowieka materiałem na naszej planecie - i drugą najczęściej wykorzystywaną substancją na Ziemi po wodzie.

 

Aby zaspokoić rosnące globalne zapotrzebowanie na beton, obecnie produkuje się ponad 4,5 miliarda ton cementu rocznie. Produkcja cementu - przynajmniej w sposób, w jaki wytwarza się obecnie większość standardowych cementów portlandzkich - jest energochłonnym procesem, który emituje ogromne ilości CO₂.

 

Głównym źródłem emisji jest produkcja klinkieru, która wymaga podgrzania wapienia do temperatury 1500 stopni Celsjusza - około dwa razy wyższej niż temperatura roztopionej lawy. Podczas gdy wykorzystywana energia pochodzi głównie z paliw kopalnych, aż 60% emisji dwutlenku węgla pochodzi z reakcji chemicznych zachodzących podczas produkcji klinkieru.

 

Cement przyjazny dla środowiska

Jednym z rozwiązań dla cementu jest zastąpienie klinkieru innym, bardziej ekologicznym materiałem. Naukowcy z Uniwersytetu Princeton wykazali, że możliwe jest wytwarzanie materiałów podobnych do cementu przy użyciu produktów ubocznych pochodzących z recyklingu z działalności przemysłowej, w tym żużla stalowniczego, popiołów lotnych z elektrowni węglowych i niektórych glin. Choć technika ta wciąż znajduje się w fazie rozwojowej, jej dodatkową zaletą jest recykling odpadów przemysłowych i ograniczenie emisji dwutlenku węgla.₂ aż o 80% w porównaniu z produkcją tradycyjnego cementu portlandzkiego.

 

Innym możliwym rozwiązaniem opracowywanym w Laboratorium Chemii Materiałów Budowlanych na UCLA jest unikalny materiał cementopodobny wytwarzany przez upcykling C02 z przemysłowych emisji dwutlenku węgla bez potrzeby dalszego przetwarzania. Materiał, który zespół UCLA nazywa "CO₂N-CRETE", jest produkowany poprzez wychwytywanie CO₂ z gazów spalinowych i łączenie go z innymi pierwiastkami w celu wywołania reakcji chemicznej, która jest następnie wytwarzana za pomocą drukarek 3D. Obecny projekt pilotażowy produkuje do 10 ton metrycznych dziennie, a w drugiej fazie produkcja powinna osiągnąć 100 ton dziennie.

 

W Wielkiej Brytanii naukowcy z Uniwersytetu w Aberdeen pracują nad czymś, co nazywają Carbon Capture Machine. Urządzenie to wychwytuje CO₂ i przekształca go w materiały, które mogą zastąpić zmielony węglan wapnia - kolejny CO₂-intensywny składnik wykorzystywany do produkcji betonu. Technologia ta, choć wciąż znajduje się na wczesnym etapie rozwoju, może odegrać ważną rolę w eliminacji emisji CO₂ z produkcji betonu.

 

Naprawianie pęknięć

Dużym problemem związanym z nowoczesnym betonem jest jego nietrwałość. Wiele nowoczesnych konstrukcji betonowych zaczyna ulegać degradacji w ciągu 50 lat. Naprawy są kosztowne, a wiele konstrukcji jest po prostu wyburzanych bez skutecznego recyklingu. Ale co by było, gdyby beton mógł naprawić się sam?

 

Pomysł nie jest naciągany - starożytni Rzymianie opracowali samonaprawiające się mieszanki betonowe ponad 2000 lat temu, które przetrwały próbę czasu. Najnowsze analizy ujawniają, że Rzymianie wytwarzali swój beton z mieszanki popiołu wulkanicznego i skał, wapna i wody morskiej. Proces ten - którego współczesna nauka nie była w stanie w pełni odtworzyć - powoduje wzrost rzadkiego minerału hydrotermalnego, który z czasem wzmacnia beton.

 

Naukowcy pracują obecnie nad rozwiązaniami mającymi na celu opracowanie samoregenerującego się cementu, który zaspokoi potrzeby współczesnego świata. Zespół z Uniwersytetu Delft w Holandii objął prowadzenie w opracowywaniu mieszanki betonowej nasyconej bakteriami, która umożliwia betonowi leczenie własnych pęknięć i szczelin. Bakterie naturalnie wytwarzają wapień pod wpływem powietrza i wody. W ten sposób nowy materiał nie tylko eliminuje potrzebę kosztownych napraw, ale z czasem wzmacnia konstrukcje betonowe. Materiał ten może być stosowany nie tylko w nowych budynkach, ale także do napraw istniejących konstrukcji. Mieszanie bac-terii w specjalistyczne żele przed dodaniem jej do cementu umożliwia samonaprawiający się proces trwający wieki.

 

Czy widzisz światło?

Kolejną otwierającą oczy innowacją w świecie cementu i betonu - jedną z wielu potencjalnych zastosowań - jest opracowanie cementu emitującego światło lub fosforyzującego: cementu, który dosłownie świeci w ciemności.

 

Naukowcy z Meksyku wynaleźli mieszankę cementu, która może absorbować i przechowywać światło słoneczne w ciągu dnia, a następnie emitować światło (obecnie w odcieniach niebieskiego lub zielonego) przez 12 godzin w nocy. Materiał ten może być wykorzystywany do oświetlania autostrad, ścieżek rowerowych i budynków, wykorzystując jedynie energię pochłanianą ze światła słonecznego w ciągu dnia. Jego żywotność wynosi 100 lat.

 

Zespół odkrył pomysłowy sposób na przekształcenie krystalicznej mikrostruktury zwykłego cementu (która czyni go nieprzezroczystym) w żel, który może absorbować i emitować światło. Materiał jest również ekologiczny, ponieważ jest wykonany z piasku, pyłu lub gliny, a jedyną emisją podczas procesu produkcyjnego jest para wodna. Projekt przyciągnął międzynarodową uwagę i kilka firm rozpoczyna jego produkcję.

 

Twarda moc

Kolejną futurystyczną innowacją jest cement, który może przewodzić prąd. Cement przewodzący prąd jest już wykorzystywany do takich celów jak uziemienie elektryczne, ochrona przed wyładowaniami atmosferycznymi, zakłócenia elektromagnetyczne i wytwarzanie energii termoelektrycznej. Obecnie kilka zespołów badaczy na całym świecie pracuje nad różnymi sposobami zwiększenia przewodności betonu, aby przenieść jego zastosowania na wyższy poziom.

 

Naukowcy z Uniwersytetu Leeds w Wielkiej Brytanii opracowali związek cementu, który wykorzystuje jony potasu do przewodzenia energii. Dzięki temu betonowe konstrukcje mogą działać jak baterie, magazynując i emitując energię bezprzewodowo. Oznacza to, że nasze domy i biura mogłyby w efekcie same się zasilać.

 

Kolejnym przełomem w pracach jest mieszanka cementowa nasycona grafenem, której twórca, australijska firma Talga, twierdzi, że działa jak element grzewczy pieca elektrycznego. Potencjalne zastosowania tego "naenergetyzowanego" betonu są ogromne: od podgrzewanych podłóg po podgrzewane drogi i chodniki, które stworzyłyby bezpieczny i przyjazny dla środowiska sposób usuwania lodu w zimie.

 

Być może najbardziej ekscytującą możliwością jest to, że przewodzący cement umożliwiłby bezprzewodowe ładowanie pojazdów elektrycznych - zarówno podczas jazdy, jak i postoju - wykorzystując energię słoneczną pochłanianą przez betonową powierzchnię autostrady lub parkingu.

 

Jest to rodzaj przełomowej technologii, która w niedalekiej przyszłości umożliwiłaby pojazdom elektrycznym zastąpienie samochodów osobowych i ciężarowych spalających paliwa kopalne, eliminując ogromne źródło emisji CO₂ emisji.

 

Ferrock na ratunek?

Ferrock - rewolucyjny materiał przypominający beton w kolorze rdzy, opracowany przypadkowo kilka lat temu przez chemika zajmującego się ochroną środowiska w Stanach Zjednoczonych - to prosta, ale niesamowita substancja. Wykonany głównie z pyłu żelaznego i krzemionki (pokruszonego szkła), które są łatwo dostępne w recyklingu, Ferrock w rzeczywistości pochłania, a nie emituje CO₂ podczas procesu produkcyjnego, co czyni go materiałem budowlanym ujemnym pod względem emisji dwutlenku węgla.

 

Wciąż trwają badania nad tym, w jaki sposób materiał robi to, co robi, ale zasadniczo CO₂ reaguje z rdzą, tworząc węglan żelaza, blokując gaz cieplarniany z atmosfery. Dodatkowo, Ferrock jest produkowany bez konieczności stosowania wysokich temperatur, a także wzmacnia się pod wpływem wody morskiej. Ferrock jest pięciokrotnie mocniejszy niż cement portlandzki i znacznie bardziej elastyczny, dzięki czemu lepiej niż tradycyjny beton wytrzymuje aktywność sejsmiczną i procesy przemysłowe. Wciąż w fazie rozwoju, wkrótce spodziewana jest produkcja komercyjna.

 

Z Ziemi na Marsa i z powrotem

Zespół architektów i projektantów w Stanach Zjednoczonych pracujący nad stworzeniem prototypu siedliska, które będzie wspierać ludzkie życie na Marsie, być może opracował najbardziej zrównoważony materiał budowlany dla przyszłości na Ziemi.

 

Firma projektowa AI SpaceFactory wygrała pół miliona dolarów od NASA za swój prototyp habitatu MARSHA. Ten kosmiczny projekt wykorzystuje niestandardowy materiał konstrukcyjny o nazwie biopolimerowy kompozyt bazaltowy, który jest wytwarzany z upraw takich jak kukurydza i trzcina cukrowa i produkowany przy użyciu technologii druku 3D. Materiał ten został certyfikowany przez NASA jako 50% mocniejszy i trwalszy niż beton.

 

Zainspirowany przez MARSHA, zespół skupił swoją uwagę z powrotem w domu i wymyślił TERA, ziemską wersję MARSHA wykorzystującą te same polimery roślinne. TERA to dowód koncepcji dla budynków przyszłości. Materiał konstrukcyjny 100% nadaje się do recyklingu i kompostowania, a jednocześnie jest mocniejszy i trwalszy niż tradycyjny beton.

 

Drewno to nowy beton

Kolejnym tradycyjnym materiałem budowlanym na miarę XXI wieku jest drewno, które powraca jako materiał budowlany z wielu właściwych powodów. Przy odpowiedniej gospodarce leśnej drewno jest zrównoważonym materiałem budowlanym, który pochłania i blokuje CO₂ z atmosfery.

 

Dużą zmianą w świecie drewna jest ciągły rozwój drewna inżynieryjnego - super-drewna, które jest mocniejsze, lżejsze i bardziej ognioodporne niż stal. Niektórzy architekci opisują je jako beton przyszłości.

 

Jednym z najważniejszych z nich jest drewno klejone krzyżowo (CLT). Po raz pierwszy opracowane w Austrii w latach 90-tych, CLT jest w zasadzie super-sklejką wykonaną z desek z różnych gatunków drewna i połączonych ze sobą pod kątem prostym. Konstrukcje CLT mogą być prefabrykowane poza placem budowy z dużą dokładnością, dzięki czemu mogą być składane prawie jak klocki Lego na placu budowy przez stosunkowo niewielką ekipę.

Szybkość i łatwość budowy oszczędza zarówno czas, jak i pieniądze.

Chociaż nie jest to nowość, wykorzystanie drewna inżynieryjnego w budownictwie przyspieszyło w ostatnich latach. W 2003 r. zużycie CLT na całym świecie wynosiło zaledwie 2000 metrów sześciennych. W 2018 r. wykorzystano ponad milion ton metrycznych.

 

Zamki wykonane z CLT

Obecnie większość drewna CLT jest wykorzystywana do budowy niskich i średnich budynków mieszkalnych i przemysłowych, w tym biur i magazynów. Jednak wraz z rozwojem wykorzystania drewna konstrukcyjnego i zmianą przepisów budowlanych w celu umożliwienia wznoszenia wyższych konstrukcji drewnianych, będziemy coraz częściej spotykać się z czymś, czego wcześniej nie widzieliśmy: drewnianymi drapaczami chmur.

 

Najnowszym pretendentem do miana najwyższej drewnianej konstrukcji na świecie jest niedawno ogłoszony Canada Earth Tower w Vancouver. Plany 40-piętrowego budynku obejmują 200 mieszkań i zewnętrzne ogrody wertykalne. W Kanadzie - z jej dużymi zasobami zrównoważonego drewna - obecnie realizowanych jest ponad 500 projektów drewnianych budynków średniej wysokości.

 

Japonia jest kolejnym pionierem w dziedzinie drewnianych drapaczy chmur. W ubiegłym roku Sumitomo Group ogłosiła plany budowy najwyższego na świecie drewnianego wieżowca w Tokio. 70-piętrowy budynek o nazwie W350 po ukończeniu będzie miał 350 metrów wysokości i zostanie wykonany z hybrydy drewna i stali.

 

Oprócz korzyści ekologicznych i kosztowych, drewno ma jeszcze jedną zaletę: ludzie je lubią. Chociaż potrzebne są dalsze badania, od dawna wiadomo, że drewno sprawia, że ludzie czują się lepiej: zmniejsza stres, poprawia jakość powietrza i sprzyja ogólnemu dobremu samopoczuciu.

 

Nano-drewno jest super

Kolejną fascynującą innowacją w dziedzinie drewna jest "nano-drewno" opracowane przez naukowców z Uniwersytetu Maryland. Ten nowy materiał

ma szerokie zastosowanie jako pasywny czynnik chłodzący zarówno w nowych, jak i istniejących budynkach.

 

Choć brzmi to jak zaawansowana technologia, nano-drewno okazuje się być stosunkowo proste: zespół opracował tani sposób na wykorzystanie zwykłego drewna z recyklingu i usunięcie związków, które sprawiają, że jest ono brązowe i twarde. Pozostaje materiał drzewny wykonany wyłącznie z nanowłókien celulozowych i naturalnych przestrzeni, które transportują wodę i składniki odżywcze wewnątrz żywego drzewa. Materiał ten jest następnie ściskany w celu przywrócenia jego wytrzymałości i dodawany jest do niego związek hydrofobowy.

 

Rezultatem jest jasne, białe "drewno", które jest zarówno niezwykle skuteczne w odbijaniu i rozpraszaniu ciepła, jak i niezwykle wytrzymałe: dziesięć razy mocniejsze niż drewno i trzy razy mocniejsze niż stal. Te podwójne właściwości sprawiają, że nanodrewno idealnie nadaje się jako materiał budowlany, zwłaszcza do pokrycia dachów i fasad. Testy wykazały, że jest 10% bardziej skuteczny w blokowaniu ciepła niż styropian lub aerożel krzemionkowy i do 30 razy trwalszy. Naturalna nanostruktura materiału pozwala mu pozostać do 4 stopni Celsjusza chłodniejszym niż otaczające go powietrze, nawet w najgorętszej porze dnia.

 

Nano-drewno jest niedrogie w produkcji (obecnie około 7 USD za metr kwadratowy) i idealnie nadaje się zarówno do nowych konstrukcji, jak i do renowacji istniejących budynków. Badania wykazały, że w przypadku budynków zbudowanych po 2004 r. może ono obniżyć koszty energii o ponad 20%. W przypadku starszych budynków oszczędności są jeszcze większe.

 

Twarz przyszłości

Całkowicie szklane fasady zdefiniowały znaczną część nowoczesnego krajobrazu miejskiego. Takie budynki mogą być stylowe i eleganckie, ale w efekcie są również gigantycznymi szklarniami ogrzewanymi przez słońce, które wymagają ogromnych ilości energii do chłodzenia.

Według Międzynarodowej Agencji Energii, ilość energii zużywanej do chłodzenia budynków podwoiła się od 2000 roku i obecnie stanowi około 14% całego zużycia energii. Wysoki koszt środowiskowy fasad całoszklanych wywołał rosnącą kampanię prominentnych głosów wzywających do ich zakazania. Podczas gdy debata jest w toku, nowe przełomowe rozwiązania mogą zaoferować rozwiązanie.

 

Fasady homeostatyczne

Homeostatyczne (samoregulujące się) fasady mogą być przełomem, jeśli chodzi o budynki przyszłości.

 

Opracowany przez zespół architektów z USA system wykorzystuje zaawansowaną technologicznie taśmę wplecioną we wnękę podwójnego szkła, która kurczy się lub rozszerza w zależności od temperatury panującej na zewnątrz. Elastyczna taśma wykonana jest ze specjalnego materiału polimerowego zwanego dielektrykiem, który można spolaryzować przy bardzo niskim zużyciu energii. Taśmy reagują na zmiany temperatury i kurczą się, aby wpuścić ciepło, lub rozszerzają się, aby zablokować światło słoneczne.

 

Lasy pionowe

Innym pomysłem na fasadę przyszłości jest dosłowne zazielenienie jej. Pionowe ogrody są coraz częściej postrzegane przez architektów i deweloperów jako idealny sposób na obniżenie kosztów chłodzenia przy jednoczesnym zapewnieniu znaczącego wkładu w redukcję emisji CO₂ redukcja emisji i oczyszczanie powietrza w miastach.

 

Dobrym przykładem jest nagrodzony w Mediolanie projekt Bosco Verticale (Pionowy Las) zaprojektowany przez Stefano Boeri Architects. Ukończone w 2014 roku bliźniacze wieże mieszkalne wznoszą się na wysokość 116 metrów i 76 metrów i zawierają ponad 800 drzew i 14 000 roślin reprezentujących ponad 100 gatunków.

 

Zespół zdobył również zlecenie na zaprojektowanie Liuzhou Forest City w Chinach - najbardziej ambitnego projektu pionowego lasu na świecie. Plany zakładają stworzenie mieszkań dla 30 000 osób w szeregu pokrytych roślinami wieżowców z 40 000 drzew i milionem roślin.

 

Oczekuje się, że każdego roku drzewa w Liuzhou Forest City pochłoną 10 000 ton CO₂ i 57 ton zanieczyszczeń przenoszonych przez powietrze, produkując jednocześnie około 900 ton tlenu. Projekt obniży średnią temperaturę powietrza w okolicy, stworzy bariery akustyczne i zwiększy bioróżnorodność poprzez stworzenie siedliska dla ptaków i owadów.

 

Kontrola klimatu

Mniej rzucającym się w oczy, ale nie mniej ważnym odkryciem dla środowiska zbudowanego jest nowy przełom, który sprawia, że istniejące systemy kontroli klimatu w budynkach są wykładniczo bardziej wydajne.

 

Systemy ogrzewania, wentylacji i klimatyzacji (HVAC) wykorzystujące turbulentną wymianę ciepła to sposób, w jaki większość budynków na świecie reguluje swój wewnętrzny klimat. Systemy te w znacznym stopniu przyczyniają się do zużycia energii w środowisku zabudowanym na całym świecie.

 

Wspólny zespół naukowców z USA i Chin robi furorę w świecie HVAC dzięki stosunkowo niewielkiej innowacji o dużym potencjale. Zespół wziął związek organiczny znany jako HFE, który jest jedynym płynem stosowanym w niektórych systemach wymiany ciepła, i dodał go do wodnego systemu wymiany ciepła, aby zobaczyć, co się stanie.

 

Po trzech latach majsterkowania wyniki są imponujące. Zespół ustalił, że dodanie 1% HFE do wodnego systemu wymiany ciepła HVAC może zwiększyć jego wydajność o zdumiewające 500%, ponieważ kropelki HFE w wodzie przyspieszają proces wymiany ciepła w całym systemie.

 

Jednym z obecnych ograniczeń tego przełomowego rozwiązania jest to, że działa ono tylko w przypadku pionowej wymiany ciepła. Trwają prace nad dostosowaniem tej techniki do poziomych systemów wymiany ciepła. Elastomery pokryte srebrem.