Budovanie budúcnosti odolnej voči rizikám

Samotný stavebný priemysel je zodpovedný za viac ako 10% svetových emisií CO₂ päťkrát viac ako celosvetová letecká doprava. Jedným z najväčších zdrojov tejto veľkej uhlíkovej stopy je betón a jeho hlavná zložka, cement. Keby bol svetový sektor výroby cementu samostatnou krajinou, bol by tretím najväčším producentom CO₂ po Číne a Spojených štátoch. Dobrou správou je, že už prebieha radikálne prehodnotenie zastavaného prostredia s cieľom radikálne znížiť jeho uhlíkovú stopu a prejsť od súčasného modelu k udržateľnému systému s uzavretým cyklom.

 

Dobré správy

Veľký pokrok sa dosiahol pri vývoji a uvádzaní na trh širokej škály nových materiálov a prístupov k zastavanému prostrediu, aby bolo udržateľné pre dnešok i budúcnosť. Patrí sem aj nová generácia ekologicky šetrného cementu a betónu, ktorá nielenže dokáže radikálne znížiť emisie uhlíka, ale časom má potenciál urobiť z betónu uhlíkovo negatívny materiál. Tímy na celom svete sa tiež podieľajú na prelomovej práci na vývoji špecializovaných alternatívnych betónov, ktoré dokážu napríklad zachytávať, uchovávať a prenášať slnečnú energiu ako elektrinu alebo svetlo bez prevádzkových nákladov alebo škodlivých emisií.

 

Prírodné materiály, ako je drevo, sa tiež prehodnocujú ako súčasť riešenia pre zastavané prostredie. Pokroky v oblasti konštrukčného dreva umožňujú nielen konštrukčne, ale aj ekonomicky realizovať výškové budovy s konštrukčnými drevenými nosníkmi namiesto oceľových. Technické drevo má aj ďalšie výhody vrátane zachytávania uhlíka, pasívneho chladenia a celkovej pohody, ktorú prírodný materiál prináša.

 

K tomu treba dodať, že nový vývoj v oblasti nanotechnológií umožňuje zavádzanie samoregulačných fasád budov, zatiaľ čo prelomové objavy v systémoch HVAC umožňujú výrazne znížiť spotrebu energie. Žiadne riešenie nie je kľúčové. V tomto prípade platí, že čím viac dobrých nápadov máme, tým lepšie. Zelená betónová džungľa Betón je všade. Každý rok sa ho na celom svete spotrebuje viac ako 10 miliárd ton, čo z neho robí najpoužívanejší umelý materiál na planéte - a druhú najpoužívanejšiu látku na Zemi po vode.

 

Na uspokojenie rastúceho celosvetového dopytu po betóne sa v súčasnosti vyrába viac ako 4,5 miliardy ton cementu ročne. Výroba cementu - aspoň tak, ako sa dnes vyrába väčšina štandardných portlandských cementov - je energeticky náročný proces, pri ktorom sa uvoľňuje obrovské množstvo emisií CO₂.

 

Hlavným zdrojom emisií je výroba slinku, ktorá si vyžaduje zahrievanie vápenca na teplotu až 1 500 stupňov Celzia - približne dvakrát vyššiu ako teplota roztavenej lávy. Hoci použitá energia pochádza väčšinou z fosílnych palív, až 60% emisií uhlíka pochádza z chemických reakcií, ktoré prebiehajú počas výroby slinku.

 

Ekologický cement

Jedným z riešení pre cement je nahradiť slinok iným, šetrnejším materiálom. Výskumníci z Princetonskej univerzity ukázali, že je možné vyrábať materiály podobné cementu s použitím recyklovaných vedľajších produktov z priemyselných činností vrátane oceliarskej trosky, popolčeka z uhoľných elektrární a niektorých ílov. Hoci je táto technika ešte len vo fáze vývoja, jej ďalšou výhodou je recyklácia priemyselného odpadu a obmedzovanie emisií uhlíka, čo by mohlo znížiť emisie CO₂ až o 80% v porovnaní s výrobou tradičného portlandského cementu.

 

Ďalším možným riešením, ktoré sa vyvíja v Laboratóriu pre chémiu stavebných materiálov na Kalifornskej univerzite, je jedinečný materiál podobný cementu, ktorý sa vyrába recykláciou C02 z priemyselných emisií uhlíka bez potreby ďalšieho spracovania. Tento materiál, ktorý tím UCLA nazýva "CO₂N-CRETE", ktorý sa získava zo zachyteného CO₂ zo spalín a ich kombináciou s inými prvkami sa spustí chemická reakcia, ktorá sa potom vyrobí pomocou 3D tlačiarne. Súčasný pilotný projekt produkuje až 10 ton denne a v druhej fáze by mala produkcia dosiahnuť 100 ton denne.

 

V Spojenom kráľovstve pracujú výskumníci z Aberdeenskej univerzity na projekte, ktorý nazývajú Carbon Capture Machine. Zariadenie zachytáva CO₂ a premieňa ho na materiály, ktoré môžu nahradiť mletý uhličitan vápenatý - ďalší CO₂-náročná zložka používaná na výrobu betónu. Hoci je táto technológia ešte len v počiatočnom štádiu vývoja, mohla by zohrávať dôležitú úlohu pri eliminácii emisií CO₂ z výroby betónu.

 

Oprava trhlín

Jedným z veľkých problémov moderného betónu je, že nevydrží. Mnohé moderné betónové konštrukcie začínajú degradovať do 50 rokov. Opravy sú nákladné a mnohé konštrukcie sa jednoducho zbúrajú bez účinnej recyklácie. Ale čo keby sa betón dokázal opraviť sám?

 

Táto myšlienka nie je nadnesená - starí Rimania vyvinuli pred viac ako 2 000 rokmi samoregeneračné betónové zmesi, ktoré obstáli v skúške času. Nedávna analýza odhalila, že Rimania vyrábali betón zo zmesi sopečného popola a hornín, vápna a morskej vody. Tento proces - ktorý moderná veda nedokázala úplne zopakovať - spôsobuje rast vzácneho hydrotermálneho minerálu, ktorý časom betón spevňuje.

 

Výskumníci dnes pracujú na riešení, ako vyvinúť samoregeneračný cement, ktorý by vyhovoval potrebám moderného sveta. Tím z Delftskej univerzity v Holandsku sa stal lídrom vo vývoji betónovej zmesi s obsahom baktérií, ktorá umožňuje betónu, aby sa sám zacelil. Baktérie prirodzene produkujú vápenec, keď sú vystavené pôsobeniu vzduchu a vody. Tento nový materiál tak nielenže eliminuje potrebu nákladných opráv, ale v skutočnosti časom posilňuje betónové konštrukcie. Materiál možno použiť nielen na novostavby, ale aj na opravy existujúcich konštrukcií. Zmiešanie bak- terie do špecializovaných gélov pred jej pridaním do cementu umožňuje, aby samoregeneračný proces trval celé stáročia.

 

Vidíte svetlo?

Ďalšou inováciou vo svete cementu a betónu, ktorá otvára oči a má mnoho možností využitia, je vývoj cementu vyžarujúceho svetlo alebo fosforeskujúceho cementu: cementu, ktorý doslova svieti v tme.

 

Vedci v Mexiku vynašli cementovú zmes, ktorá dokáže absorbovať a uchovávať slnečné svetlo počas dňa a potom vyžarovať svetlo (v súčasnosti v modrých alebo zelených odtieňoch) počas 12 hodín v noci. Tento materiál sa dá použiť na osvetlenie napríklad diaľnic, cyklistických chodníkov a budov len s využitím energie absorbovanej zo slnečného svetla počas dňa. Jeho životnosť je 100 rokov.

 

Tím prišiel na dômyselný spôsob, ako premeniť kryštalickú mikroštruktúru bežného cementu (ktorá ho robí nepriehľadným) na gél, ktorý dokáže absorbovať a vyžarovať svetlo. Materiál je zároveň ekologický, keďže sa vyrába z piesku, prachu alebo hliny a jedinou emisiou počas výrobného procesu je para. Projekt si získal medzinárodnú pozornosť a niekoľko spoločností začína zavádzať výrobu.

 

Tvrdý výkon

Ďalšou futuristickou inováciou je cement, ktorý dokáže viesť elektrinu. Vodivý cement sa už používa napríklad na elektrické uzemnenie, ochranu pred bleskom, elektromagnetické rušenie a výrobu termoelektrickej energie. V súčasnosti niekoľko tímov výskumníkov na celom svete pracuje na rôznych spôsoboch, ako zvýšiť vodivosť betónu, aby sa jeho využitie posunulo na vyššiu úroveň.

 

Výskumníci z Leeds University v Spojenom kráľovstve vyvinuli cementovú zmes, ktorá využíva draslíkové ióny na vedenie energie. To umožňuje betónovým štruktúram fungovať ako batérie na bezdrôtové ukladanie a vyžarovanie energie. To znamená, že naše domy a kancelárie by sa mohli v podstate napájať samé.

 

Ďalším prelomovým produktom je cementová zmes s grafénom, o ktorej jej vývojár, austrálska spoločnosť Talga, tvrdí, že funguje ako vykurovacie teleso elektrického sporáka. Potenciál využitia tohto "energizovaného" betónu je obrovský: od vyhrievaných podláh až po vyhrievané cesty a chodníky, čo by vytvorilo bezpečný a ekologický spôsob odstraňovania ľadu v zime.

 

Azda najzaujímavejšou možnosťou je, že vodivý cement by mohol umožniť bezdrôtové nabíjanie elektrických vozidiel - buď počas jazdy, alebo keď sú zaparkované - pomocou slnečnej energie absorbovanej betónovým povrchom diaľnice alebo parkoviska.

 

Ide o technológiu, ktorá v blízkej budúcnosti umožní, aby elektrické vozidlá nahradili osobné a nákladné vozidlá spaľujúce fosílne palivá, čím sa odstráni obrovský zdroj emisií CO₂ emisie.

 

Ferrock na záchranu?

Ferrock - revolučný, hrdzavo sfarbený materiál podobný betónu, ktorý pred niekoľkými rokmi náhodne vyvinul chemik zaoberajúci sa životným prostredím v Spojených štátoch - je jednoduchá, ale úžasná látka. Ferrock je vyrobený najmä zo železného prachu a oxidu kremičitého (drveného skla), ktoré sú ľahko dostupné z recyklácie, a v skutočnosti absorbuje, a nie emituje CO₂ počas procesu výroby, čím sa stáva uhlíkovo negatívnym stavebným materiálom.

 

Stále prebieha výskum toho, ako tento materiál robí to, čo robí, ale v podstate je CO₂ reaguje s hrdzou za vzniku uhličitanu železitého, ktorý zadržiava skleníkový plyn z atmosféry. Okrem toho sa Ferrock vyrába bez potreby vysokých teplôt a pri pôsobení morskej vody sa tiež posilňuje. Ferrock je päťkrát pevnejší ako portlandský cement a oveľa pružnejší, takže je vhodnejší ako tradičný betón na odolávanie seizmickej činnosti a priemyselným procesom. Stále sa vyvíja, komerčná výroba sa očakáva čoskoro.

 

Zo Zeme na Mars a späť

Tím architektov a dizajnérov v USA, ktorí pracujú na vývoji prototypu obydlia na podporu ľudského života na Marse, možno vyvinul dokonalý udržateľný stavebný matériál pre budúcnosť tu na Zemi.

 

Dizajnérska firma AI SpaceFactory získala od NASA pol milióna dolárov na svoj prototyp marsovského habitatu MARSHA. Tento vesmírny projekt využíva na mieru vyrobenú konštrukčnú ma- teriálu nazývanú biopolymérny čadičový kompozit, ktorý sa vyrába z plodín, ako je kukurica a cukrová trstina, a vyrába sa pomocou technológie 3D tlače. NASA certifikovala, že tento materiál je 50% pevnejší a odolnejší ako betón.

 

Inšpirovaný projektom MARSHA sa tím sústredil tu doma a prišiel s projektom TERA, pozemskou verziou projektu MARSHA, ktorá využíva rovnaké polyméry na rastlinnej báze. TERA je dôkazom konceptu stavieb budúcnosti. Stavebný materiál je 100% recyklovateľný a kompostovateľný a zároveň pevnejší a odolnejší ako tradičný betón.

 

Drevo je nový betón

Ďalším tradičným stavebným materiálom, ktorý sa v 21. storočí prehodnocuje, je drevo, ktoré sa zo správnych dôvodov vracia ako stavebný materiál. Pri správnom obhospodarovaní lesov je drevo udržateľný stavebný materiál, ktorý absorbuje a zadržiava CO₂ z atmosféry.

 

Veľkou zmenou vo svete dreva je pokračujúci vývoj konštrukčného dreva - superdreva, ktoré je pevnejšie, ľahšie a ohňovzdornejšie ako oceľ. Niektorí architekti ho teraz označujú za betón budúcnosti.

 

Jedným z najdôležitejších je krížom lepené drevo (CLT). CLT, ktoré bolo prvýkrát vyvinuté v Rakúsku v 90. rokoch 20. storočia, je v podstate superdrevo vyrobené z dosiek z rôznych drevín, ktoré sa spájajú pod pravým uhlom. Konštrukcie z CLT sa dajú prefabrikovať mimo staveniska s veľkou presnosťou, čo umožňuje, aby ich na stavenisku poskladala relatívne malá posádka takmer ako kocky Lega.

Rýchlosť a jednoduchosť výstavby šetrí čas aj peniaze.

Hoci to nie je úplná novinka, v posledných rokoch sa používanie konštrukčného dreva v stavebníctve zrýchlilo. V roku 2003 bola celosvetová spotreba CLT len 2 000 metrov kubických. V roku 2018 sa použilo viac ako jeden milión ton.

 

Hrady z CLT

V súčasnosti sa väčšina CLT používa na výstavbu nízko a stredne vysokých obytných a priemyselných budov vrátane kancelárií a skladov. Keďže sa však konštrukčné drevo používa aj naďalej a stavebné predpisy sa revidujú tak, aby umožňovali vyššie drevené konštrukcie, budeme sa čoraz častejšie stretávať s niečím, čo sme doteraz veľmi nevideli: s drevenými mrakodrapmi.

 

Najnovším uchádzačom o najvyššiu drevenú stavbu na svete je nedávno ohlásená Canada Earth Tower vo Vancouveri. Plány 40-poschodovej budovy zahŕňajú 200 bytov a vonkajšie vertikálne záhrady. Kanada - s veľkými zásobami udržateľného dreva - má v súčasnosti vo výstavbe viac ako 500 projektov stredne vysokých drevených budov.

 

Japonsko je ďalším priekopníkom v oblasti drevených mrakodrapov. Minulý rok spoločnosť Sumitomo Group oznámila plány na výstavbu najvyššieho dreveného mrakodrapu na svete v Tokiu. Sedemdesiatposchodová budova s názvom W350 bude po dokončení vysoká 350 metrov a bude vyrobená z kríženca dreva a ocele.

 

Okrem ekologických a nákladových výhod má drevo ešte jednu dobrú vlastnosť: ľudia ho majú radi. Hoci je potrebný ďalší výskum, už dlho je známe, že drevo zlepšuje náladu ľudí: znižuje stres, zlepšuje kvalitu ovzdušia a prispieva k celkovej pohode.

 

Nano-drevo je super

Ďalšou fascinujúcou inováciou v oblasti dreva je "nanodrevo", ktoré vyvinuli výskumníci na Marylandskej univerzite. Tento nový materiál

má široký význam ako pasívny chladiaci prostriedok pre nové aj existujúce budovy.

 

Hoci to znie ako špičková technológia, ukázalo sa, že nanodrevo je pomerne jednoduché: tím vyvinul lacný spôsob, ako vziať obyčajné recyklované drevo a odstrániť zlúčeniny, ktoré ho robia hnedým a tvrdým. Zostane drevný materiál, ktorý sa skladá len z celulózových nanovlákien a prirodzených priestorov, ktoré prenášajú vodu a živiny vo vnútri živého stromu. Tento materiál sa potom stlačí, aby sa obnovila jeho pevnosť, a pridá sa hydrofóbna zlúčenina, aby odpudzoval vodu.

 

Výsledkom je žiarivo biele "drevo", ktoré je mimoriadne účinné pri odrážaní a rozptyľovaní tepla a zároveň mimoriadne pevné: desaťkrát pevnejšie ako drevo a trikrát pevnejšie ako oceľ. Vďaka týmto dvojakým vlastnostiam je nanodrevo ideálnym stavebným materiálom, najmä na strešné obklady a fasády. Testy ukázali, že je 10% účinnejšie pri blokovaní tepla ako polystyrén alebo kremičitý aerogél a až 30-krát odolnejšie. Prírodná nanoštruktúra materiálu umožňuje, aby zostal až o 4 stupne Celzia chladnejší ako okolitý vzduch, a to aj počas najhorúcejšej časti dňa.

 

Výroba nanodreva je lacná (v súčasnosti približne 7 USD za meter štvorcový) a je ideálna na nové stavby aj na renováciu existujúcich budov. Štúdie ukázali, že v prípade budov postavených po roku 2004 môže znížiť náklady na energiu o viac ako 20%. V prípade starších budov sú úspory ešte vyššie.

 

Tvár budúcnosti

Celosklenené fasády sa stali charakteristickým prvkom modernej mestskej krajiny. Takéto budovy sú síce štýlové a elegantné, ale v skutočnosti sú to aj obrovské skleníky vyhrievané slnkom, ktorých chladenie si vyžaduje obrovské množstvo energie.

Podľa Medzinárodnej energetickej agentúry sa množstvo energie spotrebovanej na chladenie budov od roku 2000 zdvojnásobilo a v súčasnosti predstavuje približne 14% z celkovej spotreby energie. Vysoké environmentálne náklady na celosklenené fasády vyvolali rastúcu kampaň významných hlasov, ktoré žiadajú ich zákaz. Zatiaľ čo prebieha diskusia, nové objavy môžu ponúknuť riešenie.

 

Homeostatické fasády

Homeostatické (samoregulačné) fasády by mohli zmeniť pravidlá hry, pokiaľ ide o budovy budúcnosti.

 

Systém vyvinutý architektonickým tímom v USA využíva špičkovú pásku tkanú v dutine dvojskla, ktorá sa zmršťuje alebo rozširuje v závislosti od vonkajšej teploty. Pružná páska je vyrobená zo špeciálneho polymérneho materiálu nazývaného dielektrikum, ktorý sa dá polarizovať s veľmi malou spotrebou energie. Pásky reagujú na zmeny teploty a buď sa zmršťujú, aby prepúšťali teplo, alebo sa rozťahujú, aby blokovali slnečné svetlo.

 

Vertikálne lesy

Ďalšou zmenou fasády budúcnosti je jej doslovné ozelenenie. Architekti a developeri čoraz častejšie považujú vertikálne záhrady za ideálny spôsob, ako znížiť náklady na chladenie a zároveň významne prispieť k zníženiu emisií CO₂ znižovanie emisií a čistenie ovzdušia v mestách.

 

Dobrým príkladom je ocenený milánsky projekt Bosco Verticale (Vertikálny les), ktorý navrhol Stefano Boeri Architects. Dvojica obytných veží, dokončená v roku 2014, sa týči do výšky 116 metrov a 76 metrov a obsahuje viac ako 800 stromov a 14 000 rastlín, ktoré predstavujú viac ako 100 druhov.

 

Tím získal aj zákazku na de-signovanie lesného mesta Liuzhou v Číne - doteraz najambicióznejšieho vertikálneho lesného projektu na svete. Plány počítajú s vytvorením apartmánov pre 30 000 ľudí v rámci série mrakodrapov pokrytých rastlinami, ktoré zahŕňajú 40 000 stromov a milión rastlín.

 

Očakáva sa, že stromy v Liuzhou Forest City absorbujú každý rok 10 000 ton CO₂ a 57 ton látok znečisťujúcich ovzdušie, pričom vyprodukuje približne 900 ton kyslíka. Projekt zníži priemernú teplotu vzduchu v oblasti, vytvorí hlukové bariéry a podporí biodiverzitu vytvorením biotopu pre vtáky a hmyz.

 

Ovládanie klimatizácie

Menej pútavým, ale nemenej dôležitým vývojom v oblasti stavebného prostredia je nový prielom, vďaka ktorému sú existujúce systémy regulácie klímy v budovách exponenciálne efektívnejšie.

 

Systémy vykurovania, vetrania a klimatizácie (HVAC) využívajúce turbulentnú výmenu tepla sú spôsobom, akým väčšina budov na svete reguluje svoju vnútornú klímu. Tieto systémy sa významne podieľajú na spotrebe energie v zastavanom prostredí na celom svete.

 

Spoločný tím výskumníkov z USA a Číny robí vlny vo svete HVAC s relatívne malou inováciou s veľkým potenciálom. Tím vzal organickú zlúčeninu známu ako HFE, ktorá je jedinou tekutinou používanou v niektorých systémoch výmeny tepla, a pridal ju do systému výmeny tepla na báze vody, aby zistil, čo sa stane.

 

Po troch rokoch práce sú výsledky pôsobivé. Tím zistil, že pridanie 1% HFE do systému HVAC s výmenou tepla na báze vody môže zvýšiť jeho účinnosť o ohromujúcich 500%, pretože kvapôčky HFE vo vode urýchľujú proces výmeny tepla v celom systéme.

 

Jedným zo súčasných obmedzení tohto prelomového riešenia je, že funguje len pri vertikálnej výmene tepla. V súčasnosti prebiehajú úpravy na modifikáciu tejto techniky pre horizontálne systémy výmeny tepla. elastoméry potiahnuté striebrom.