Construirea unui viitor pregătit pentru viitor

În sine, industria construcțiilor este responsabilă pentru mai mult de 10% din CO din lume₂ emisii – de cinci ori mai multe decât călătoriile aeriene globale. Una dintre cele mai mari surse ale acestei amprente grele de carbon este betonul și ingredientul său principal, cimentul. Dacă sectorul global al cimentului ar fi o țară separată, ar fi a treia cea mai mare CO2 din lume₂ emițător după China și Statele Unite. Vestea bună este că o regândire radicală a mediului construit este deja în desfășurare pentru a-și reduce drastic amprenta de carbon și a trece de la modelul actual la un sistem sustenabil, cu circuit închis.

 

Veștile bune

Se fac multe progrese în dezvoltarea și aducerea pe piață a unei game largi de materiale noi și abordări ale mediului construit pentru a-l face durabil pentru astăzi și pentru mâine. Aceasta include următoarea generație de ciment și beton ecologic, care nu numai că pot reduce radical emisiile de carbon, dar, în timp, au potențialul de a face din beton un material cu emisii de carbon negative. Echipele din întreaga lume sunt, de asemenea, angajate în lucrări inovatoare pentru a dezvolta betoane alternative specializate care pot face lucruri precum captarea, stocarea și transmiterea energiei solare sub formă de electricitate sau lumină, fără costuri operaționale sau emisii dăunătoare.

 

Materialele naturale, cum ar fi lemnul, sunt, de asemenea, regândite ca parte a soluției pentru mediul construit. Progresele în domeniul lemnului de inginerie fac nu doar posibilă din punct de vedere structural, ci și viabilă din punct de vedere economic să construiască clădiri înalte cu grinzi din lemn prelucrat, mai degrabă decât oțel. Lemnul prelucrat are alte beneficii, inclusiv captarea carbonului, răcirea pasivă și bunăstarea generală pe care o generează materialul natural.

 

Adăugând la listă, noile dezvoltări în nano-tehnologii permit lansarea fațadelor de clădiri cu autoreglare, în timp ce descoperirile în sistemele HVAC fac posibilă reducerea semnificativă a consumului de energie. Nicio soluție nu deține cheia. Acesta este un caz în care cu cât avem mai multe idei bune, cu atât mai bine. A face jungla de beton verde Betonul este peste tot. În fiecare an, peste 10 miliarde de tone din acesta sunt consumate în întreaga lume, făcându-l cel mai folosit material artificial de pe planetă – și a doua cea mai folosită substanță de pe Pământ, după apă.

 

Pentru a satisface cererea globală în creștere de beton, în prezent sunt produse peste 4,5 miliarde de tone de ciment în fiecare an. Iar producția de ciment - cel puțin în modul în care sunt fabricate astăzi majoritatea cimenturilor Portland standard din industrie - este un proces consumator de energie care emite cantități masive de CO₂.

 

Principala sursă de emisii este producția de clincher, care necesită încălzirea calcarului la temperaturi de până la 1.500 de grade Celsius - aproximativ de două ori mai fierbinte decât lava topită. În timp ce energia folosită provine în mare parte din combustibili fosili, până la 60% din emisiile de carbon provin din reacțiile chimice care au loc în timpul producției de clincher.

 

Ciment ecologic

O soluție pentru ciment este înlocuirea clincherului cu un alt material, mai benign. Cercetătorii de la Universitatea Princeton au arătat că este posibil să se producă materiale asemănătoare cimentului folosind produse secundare reciclate din activități industriale, inclusiv zgură de oțel, cenușă zburătoare de la centralele electrice pe cărbune și anumite argile. Deși încă se află în faza de dezvoltare, această tehnică – care are avantajul suplimentar de a recicla deșeurile industriale și de a capta carbonul – ar putea reduce CO₂ emisii cu până la 80% în comparație cu producția de ciment Portland tradițional.

 

O altă soluție posibilă în dezvoltare la Laboratorul de Chimie a Materialelor de Construcții de la UCLA este un material unic asemănător cimentului, produs prin reciclarea C02 din emisiile industriale de carbon, fără a fi nevoie de procesare ulterioară. Materialul, pe care echipa UCLA îl numește „CO₂N-CRETE”, este produs prin luarea CO capturat₂ din gazele de ardere și pieptănarea acestora cu alte elemente pentru a declanșa o reacție chimică, care este apoi fabricată cu imprimante 3D. Proiectul pilot actual produce până la 10 tone metrice pe zi, iar în faza a doua, producția ar trebui să atingă 100 de tone pe zi.

 

În Marea Britanie, cercetătorii de la Universitatea din Aberdeen lucrează la ceva pe care ei îl numesc Carbon Capture Machine. Dispozitivul captează CO₂ și îl transformă în materiale care pot înlocui carbonatul de calciu măcinat - un alt CO₂-ingredient intensiv folosit la producerea betonului. Deși se află încă în stadiile incipiente de dezvoltare, tehnologia ar putea juca un rol important în eliminarea CO₂ din producerea betonului.

 

Repararea fisurilor

O mare problemă cu betonul modern este că nu durează. Multe structuri moderne din beton încep să se degradeze în 50 de ani. Reparațiile sunt costisitoare și multe structuri sunt pur și simplu demolate fără reciclare eficientă. Dar dacă betonul s-ar putea repara singur?

 

Ideea nu este exagerată – vechii romani au dezvoltat amestecuri de beton cu auto-vindecare în urmă cu mai bine de 2.000 de ani, care au rezistat timpului. Analiza recentă arată că romanii și-au făcut betonul dintr-un amestec de cenușă vulcanică și roci, var și apă de mare. Procesul – pe care știința modernă nu l-a putut replica pe deplin – determină creșterea unui mineral hidrotermal rar, care întărește betonul în timp.

 

Cercetătorii de astăzi lucrează la soluții pentru dezvoltarea cimentului auto-vindecător care să răspundă nevoilor lumii moderne. O echipă de la Universitatea Delft din Olanda a preluat conducerea în dezvoltarea unui amestec de beton infuzat cu bacterii care permite betonului să-și vindece propriile fisuri și fisuri. Bacteriile produc în mod natural calcar atunci când sunt expuse la aer și apă. Astfel, acest nou material nu numai că elimină necesitatea unor reparații costisitoare, ci de fapt întărește structurile din beton în timp. Materialul poate fi folosit nu numai pentru clădiri noi, ci și pentru reparații la structurile existente. Amestecarea bacteriilor în geluri specializate înainte de a fi adăugate în ciment permite procesului de auto-vindecare să continue timp de secole.

 

Vezi lumina?

O altă inovație revelatoare în lumea cimentului și a betonului - una cu numeroase aplicații potențiale - este dezvoltarea cimentului emițător de lumină sau fosforescent: ciment care strălucește literalmente în întuneric.

 

Cercetătorii din Mexic au inventat un amestec de ciment care poate absorbi și stoca lumina soarelui în timpul zilei și apoi emite lumină (în prezent în nuanțe de albastru sau verde) timp de 12 ore în timpul nopții. Materialul poate fi folosit pentru a ilumina lucruri precum autostrăzi, piste de biciclete și clădiri folosind doar energia absorbită de lumina soarelui în timpul zilei. Are o durată de viață de 100 de ani.

 

Echipa a descoperit o modalitate ingenioasă de a transforma microstructura cristalină a cimentului obișnuit (care îl face opac) într-un gel care poate absorbi și emite lumină. Materialul este și ecologic, deoarece este fabricat din nisip, praf sau argilă și singura emisie în timpul procesului de producție este aburul. Proiectul a atras atenția internațională și mai multe companii încep să lanseze producția.

 

Putere grea

O altă inovație futuristă este cimentul care poate conduce electricitatea. Cimentul conductor este deja utilizat pentru lucruri precum împământarea electrică, protecția împotriva trăsnetului, interferența electromagnetică și generarea de energie termoelectrică. Acum, mai multe echipe de cercetători din întreaga lume lucrează la diferite modalități de a îmbunătăți conductivitatea betonului pentru a duce aplicațiile sale la nivelul următor.

 

Cercetătorii de la Universitatea Leeds din Marea Britanie au dezvoltat un compus de ciment care utilizează ioni de potasiu pentru a conduce energia. Acest lucru permite structurilor din beton să acționeze ca baterii pentru a stoca și a emite energie fără fir. Asta înseamnă că casele și birourile noastre ar putea, de fapt, să se autoalimenteze.

 

O altă descoperire în lucru este un amestec de ciment infuzat cu grafen despre care dezvoltatorul său, compania australiană Talga, susține că acționează ca elementul de încălzire al unei sobe electrice. Aplicațiile potențiale ale acestui beton „energizat” sunt imense: de la pardoseli încălzite până la drumuri și alei încălzite, care ar crea o modalitate sigură și ecologică de a curăța gheața în timpul iernii.

 

Poate cea mai interesantă posibilitate este că cimentul conductiv ar putea permite vehiculelor electrice să fie încărcate fără fir – fie în timp ce sunt conduse, fie când sunt parcate – utilizând energia solară absorbită de suprafața de beton a autostrăzii sau a parcării.

 

Acesta este genul de tehnologie care schimbă jocul care ar face posibilă, într-un viitor nu atât de îndepărtat, ca vehiculele electrice să înlocuiască mașinile și camioanele care ard combustibili fosili, eliminând o sursă uriașă de CO₂ emisii.

 

Ferrock la salvare?

Ferrock – un material revoluționar, asemănător betonului, de culoarea ruginii, dezvoltat accidental cu câțiva ani în urmă de un chimist de mediu din Statele Unite – este o substanță simplă, dar uimitoare. Fabricat în principal din praf de fier și silice (sticlă zdrobită), ambele fiind ușor disponibile prin reciclare, Ferrock absoarbe de fapt, mai degrabă decât emite CO₂ în timpul procesului său de producție, făcându-l un material de construcție cu carbon negativ.

 

Cercetările sunt încă în desfășurare asupra modului în care materialul face ceea ce face, dar în esență CO₂ reacționează cu rugina pentru a forma carbonat de fier, blocând gazul cu efect de seră din atmosferă. În plus, Ferrock este produs fără a fi nevoie de temperaturi ridicate și, de asemenea, se întărește atunci când este expus la apa de mare. Ferrock este de cinci ori mai rezistent decât cimentul Portland și mult mai flexibil, ceea ce îl face mai potrivit decât betonul tradițional pentru a rezista activității seismice și proceselor industriale. Încă în dezvoltare, producția comercială este așteptată în curând.

 

De la Pământ la Marte și înapoi

O echipă de arhitecți și designeri din SUA care lucrează pentru a dezvolta un habitat prototip care să susțină viața umană pe Marte ar putea să fi dezvoltat materialul de construcție durabil suprem pentru viitor aici pe Pământ.

 

Firma de design AI SpaceFactory a câștigat o jumătate de milion de dolari de la NASA pentru prototipul său de habitat pe Marte MARSHA. Designul din era spațială folosește un material de construcție la comandă numit compozit bazaltic biopolimer, care este realizat din culturi precum porumb și trestie de zahăr și fabricat folosind tehnologia de imprimare 3D. Materialul a fost certificat de NASA ca fiind 50% mai puternic și mai durabil decât betonul.

 

Inspirată de MARSHA, echipa și-a concentrat atenția aici acasă și a venit cu TERA, o versiune legată de Pământ a MARSHA, folosind aceiași polimeri pe bază de plante. TERA este o dovadă de concept pentru clădirile viitorului. Materialul de construcție este 100% reciclabil și compostabil, în același timp mai puternic și mai durabil decât betonul tradițional.

 

Lemnul este noul beton

Un alt material de construcție tradițional care a fost re-gândit pentru secolul 21 este lemnul, care revine ca material de construcție din toate motivele corecte. Cu un management adecvat al pădurilor, lemnul este un material de construcție durabil care absoarbe și blochează CO₂ din atmosferă.

 

Marea schimbare în lumea lemnului este dezvoltarea continuă a lemnului prelucrat – un super-lemn care este mai puternic, mai ușor și mai rezistent la foc decât oțelul. Unii arhitecți îl descriu acum ca fiind betonul viitorului.

 

Unul dintre cele mai importante dintre acestea este cheresteaua stratificată încrucișată (CLT). Dezvoltat pentru prima dată în Austria în anii 1990, CLT este practic un super-placaj realizat prin luarea de scânduri din diferite lemne și legarea lor împreună în unghi drept. Construcțiile CLT pot fi prefabricate în afara șantierului cu o mare precizie, permițându-le să fie asamblate aproape ca blocurile Lego la șantier de către un echipaj relativ mic.

Viteza și ușurința de construcție economisesc atât timp, cât și bani.

Deși nu este tocmai nou, utilizarea lemnului de inginerie pentru construcții s-a accelerat în ultimii ani. În 2003, consumul de CLT la nivel mondial a fost de numai 2.000 de metri cubi. În 2018, au fost utilizate peste un milion de tone metrice.

 

Castele din CLT

În prezent, cea mai mare parte a CLT este utilizată pentru construcția de clădiri rezidențiale și industriale cu înălțimi mici și mijlocii, inclusiv birouri și depozite. Dar, pe măsură ce utilizarea lemnului prelucrat continuă și codurile de construcție sunt revizuite pentru a permite structuri mai înalte din lemn, vom vedea mai multe lucruri despre care nu am văzut prea mult până acum: zgârie-nori din lemn.

 

Cel mai nou candidat pentru cea mai înaltă structură din lemn din lume este recent anunțat Canada Earth Tower din Vancouver. Planurile pentru clădirea de 40 de etaje includ 200 de apartamente și grădini verticale în aer liber. Canada, cu oferta mare de cherestea durabilă, are în prezent peste 500 de proiecte de construcție din lemn de înălțime medie în construcție.

 

Japonia este un alt pionier în zgârie-nori din lemn. Anul trecut, Sumitomo Group a anunțat planurile de a construi cel mai înalt zgârie-nori din lemn din lume în Tokyo. Clădirea de 70 de etaje, numită W350, va avea o înălțime de 350 de metri la finalizare și va fi realizată dintr-un hibrid de lemn și oțel.

 

Pe lângă beneficiile sale ecologice și de costuri, mai există un lucru bun despre lemn: oamenilor le place. Deși sunt necesare mai multe cercetări, se știe de multă vreme că lemnul îi face pe oameni să se simtă mai bine: reduce stresul, îmbunătățește calitatea aerului și favorizează bunăstarea generală.

 

Nano-lemnul este misto

O altă inovație fascinantă în lemn este „nano-lemnul” dezvoltat de cercetătorii de la Universitatea din Maryland. Acest material nou

are implicații de anvergură ca agent de răcire pasiv atât pentru clădirile noi, cât și pentru cele existente.

 

Deși sună high-tech, nano-lemnul se dovedește a fi relativ simplu: echipa a dezvoltat o modalitate ieftină de a lua lemnul obișnuit reciclat și de a elimina compușii care îl fac maro și dur. Ceea ce rămâne este un material lemnos format numai din nanofibre de celuloză și spațiile naturale care transportă apa și nutrienții în interiorul unui copac viu. Acest material este apoi comprimat pentru a-și reda rezistența și se adaugă un compus hidrofob pentru a-l face impermeabil.

 

Rezultatul este un „lemn” alb strălucitor, care este extrem de eficient în reflectarea și disiparea căldurii și extrem de puternic: de zece ori mai puternic decât lemnul și de trei ori mai puternic decât oțelul. Aceste proprietăți duale fac din nano-lemnul ideal ca material de construcție, în special pentru plăci de acoperiș și fațade. Testele arată că 10% este mai eficient la blocarea căldurii decât polistirenul sau aerogelul de silice și de până la 30 de ori mai durabil. Nanostructura naturală a materialului îi permite să rămână cu până la 4 grade Celsius mai rece decât aerul din jurul său, chiar și în cea mai caldă parte a zilei.

 

Nano-lemnul este ieftin de produs (în prezent aproximativ 7 USD pe metru pătrat) și este ideal atât pentru construcții noi, cât și pentru renovarea clădirilor existente. Studiile au arătat că pentru clădirile construite după 2004, poate reduce costurile cu energie cu mai mult de 20%. Pentru clădirile mai vechi, economiile sunt și mai mari.

 

Fața viitorului

Fațadele din sticlă au ajuns să definească o mare parte din peisajul urban modern. Astfel de clădiri pot fi stilate și elegante, dar sunt și, de fapt, sere gigantice încălzite de soare, care necesită cantități masive de energie pentru a se răci.

Potrivit Agenției Internaționale pentru Energie, cantitatea de energie utilizată pentru răcirea clădirilor s-a dublat din 2000 și acum reprezintă aproximativ 14% din totalul consumului de energie. Costul ridicat de mediu al fațadelor din sticlă a declanșat o campanie în creștere de voci proeminente care cer interzicerea acestora. În timp ce dezbaterea este în desfășurare, noi descoperiri pot oferi soluția.

 

Fațade homeostatice

Fațadele homeostatice (autoreglabile) ar putea schimba jocul când vine vorba de clădirile viitorului.

 

Dezvoltat de o echipă de arhitecți din SUA, sistemul folosește o panglică de înaltă tehnologie țesută în interiorul cavității de sticlă dublă care se contractă sau se extinde în funcție de temperatura exterioară. Panglica flexibilă este realizată dintr-un material polimer special numit dielectric care poate fi polarizat cu un consum foarte mic de energie. Panglicile reacționează la schimbările de temperatură și fie se contractă pentru a lăsa căldura să intre, fie se extind pentru a bloca lumina soarelui.

 

Păduri verticale

O altă întorsătură a fațadei viitorului este să o faci literalmente verde. Grădinile verticale sunt din ce în ce mai văzute de arhitecți și dezvoltatori ca o modalitate ideală de a reduce costurile de răcire, oferind în același timp o contribuție semnificativă la emisiile de CO₂ reducerea si curatarea aerului urban.

 

Un bun exemplu este proiectul premiat Bosco Verticale (Pădurea verticală) al Milanului, proiectat de arhitecții Stefano Boeri. Finalizate în 2014, turnurile rezidențiale gemene se ridică la înălțimi de 116 metri și 76 de metri și conțin peste 800 de copaci și 14.000 de plante reprezentând peste 100 de specii.

 

Echipa a câștigat, de asemenea, comisia de proiectare a orașului forestier Liuzhou din China, cel mai ambițios proiect de pădure verticală din lume până în prezent. Planurile prevăd crearea de apartamente pentru 30.000 de persoane într-o serie de zgârie-nori acoperiți cu plante care implică 40.000 de copaci și un milion de plante.

 

În fiecare an, copacii de la Liuzhou Forest City sunt de așteptat să absoarbă 10.000 de tone de CO₂ și 57 de tone de poluanți din aer, producând în același timp aproximativ 900 de tone de oxigen. Proiectul va scădea temperatura medie a aerului în zonă, va crea bariere de zgomot și va stimula biodiversitatea prin crearea unui habitat pentru păsări și insecte.

 

Control climatic

O dezvoltare mai puțin atrăgătoare, dar nu mai puțin importantă pentru mediul construit este o nouă descoperire care face sistemele existente de control al climei pentru clădiri exponențial mai eficiente.

 

Sistemele de încălzire, ventilație și aer condiționat (HVAC) care utilizează schimbul de căldură turbulent este modul în care majoritatea clădirilor din lume își reglează climatul intern. Aceste sisteme contribuie major la utilizarea energiei mediului construit la nivel mondial.

 

O echipă comună de cercetători din SUA și China fac furori în lumea HVAC-urilor cu o inovație relativ mică cu potențial mare. Echipa a luat un compus organic cunoscut sub numele de HFE, care este singurul fluid utilizat în unele sisteme de schimb de căldură, și l-a adăugat la un sistem de schimb de căldură pe bază de apă pentru a vedea ce s-ar întâmpla.

 

După trei ani de reparații, rezultatele sunt impresionante. Echipa a stabilit că adăugarea 1% HFE la un sistem HVAC cu schimb de căldură pe bază de apă poate crește eficiența acestuia cu un 500% uluitor, deoarece picăturile de HFE din apă accelerează procesul de schimb de căldură în întregul sistem.

 

O limitare actuală a acestei descoperiri este că funcționează numai pentru schimbul vertical de căldură. Sunt în curs de desfășurare adaptări pentru modificarea tehnicii sistemelor orizontale de schimb de căldură.elastomeri acoperiți cu argint.