Изградња будућности отпорне на будућност

Сама по себи, грађевинска индустрија је одговорна за више од 101ТП3Т светског ЦО₂ емисије – пет пута више од глобалног ваздушног саобраћаја. Један од највећих извора овог тешког угљичног отиска је бетон и његов главни састојак, цемент. Да је глобални сектор цемента засебна земља, био би трећи највећи ЦО на свету₂ емитера после Кине и Сједињених Држава. Добра вест је да је радикално преиспитивање изграђеног окружења већ у току како би се драстично смањио његов угљенични отисак и прешло са тренутног модела на одрживи систем затворене петље.

 

Добре вести

Остварен је велики напредак у развоју и извођењу на тржиште широког спектра нових материјала и приступа изграђеном окружењу како би оно постало одрживо за данас и сутра. Ово укључује следећу генерацију еколошки прихватљивог цемента и бетона који не само да могу радикално да смање емисију угљеника, већ и временом имају потенцијал да од бетона постану угљен-негативни материјал. Тимови широм света такође су ангажовани на револуционарним радовима на развоју специјализованих алтернативних бетона који могу да обављају ствари као што су хватање, складиштење и преношење сунчеве енергије као електричне или светлосне без оперативних трошкова или штетних емисија.

 

Природни материјали као што је дрво такође се преиспитују као део решења за изграђено окружење. Напредак у пројектованом дрвету чини не само структурално могућим већ и економски одрживом изградњу високих зграда са пројектованим дрвеним гредама уместо челика. Конструисано дрво има и друге предности, укључујући хватање угљеника, пасивно хлађење и опште благостање које ствара природни материјал.

 

Додатно на листу, нови развоји у нано-технологијама омогућавају увођење саморегулишућих фасада зграда, док пробој у ХВАЦ системима омогућавају значајно смањење потрошње енергије. Ниједно решење не држи кључ. Ово је случај када што више добрих идеја имамо, то боље. Озелењавање бетонске џунгле Бетон је свуда. Сваке године се преко 10 милијарди тона тога потроши широм света, што га чини најчешће коришћеним материјалом који је направио човек на планети – и другом најкоришћенијом супстанцом на Земљи после воде.

 

Да би се задовољила растућа глобална потражња за бетоном, тренутно се годишње произведе више од 4,5 милијарди тона цемента. А производња цемента – барем на начин на који се данас производи већина индустријских стандардних портланд цемента – је енергетски интензиван процес који емитује огромне количине ЦО.₂.

 

Главни извор емисија је производња клинкера, који захтева загревање кречњака до температуре до 1.500 Целзијуса — отприлике двоструко топлије од растопљене лаве. Док се енергија користи углавном из фосилних горива, чак 601ТП3Т емисије угљеника долази од хемијских реакција које се дешавају током производње клинкера.

 

Еколошки прихватљив цемент

Једно решење за цемент је замена клинкера другим, бенигнијим материјалом. Истраживачи са Универзитета Принцетон су показали да је могуће направити материјале сличне цементу користећи рециклиране нуспроизводе индустријских активности, укључујући челичну шљаку, летећи пепео из електрана на угаљ и одређене глине. Док је још у фази развоја, ова техника — која има додатну предност рециклирања индустријског отпада и хватања угљеника — могла би смањити ЦО₂ емисије за чак 801ТП3Т у поређењу са производњом традиционалног портланд цемента.

 

Још једно могуће решење у развоју у Лабораторији за хемију грађевинских материјала на УЦЛА је јединствени материјал сличан цементу произведен поновним циклусом Ц02 из индустријских емисија угљеника без потребе за даљом обрадом. Материјал, који тим УЦЛА назива „ЦО₂Н-ЦРЕТЕ”, производи се узимањем ухваћеног ЦО₂ од димних гасова и мешањем са другим елементима да би се покренула хемијска реакција, која се затим производи помоћу 3Д штампача. Тренутни пилот пројекат производи до 10 метричких тона дневно, ау другој фази производња би требало да достигне 100 тона дневно.

 

У Великој Британији, истраживачи са Универзитета у Абердину раде на нечему што зову машина за хватање угљеника. Уређај хвата ЦО₂ и претвара га у материјале који могу заменити млевени калцијум карбонат - још један ЦО₂-интензиван састојак који се користи за производњу бетона. Док је још увек у раним фазама развоја, технологија би могла да игра важну улогу у елиминисању ЦО₂ од производње бетона.

 

Поправљање пукотина

Један велики проблем са модерним бетоном је тај што он не траје. Многе модерне бетонске конструкције почињу да се деградирају у року од 50 година. Поправке су скупе и многе структуре се једноставно руше без ефикасног рециклирања. Али шта ако би бетон могао сам да се поправи?

 

Идеја није претерана – стари Римљани су пре више од 2.000 година развили самоизлечујуће бетонске мешавине које су издржале тест времена. Недавна анализа открива да су Римљани правили бетон од мешавине вулканског пепела и стена, креча и морске воде. Процес – који савремена наука није у потпуности успела да понови – узрокује раст ретког хидротермалног минерала, који временом ојачава бетон.

 

Истраживачи данас раде на решењима за развој цемента за самоисцељивање који би задовољио потребе савременог света. Тим са Универзитета Делфт у Холандији преузео је водећу улогу у развоју бетонске мешавине прожете бактеријама које омогућавају бетону да зацели сопствене пукотине и пукотине. Бактерије природно производе кречњак када су изложене ваздуху и води. Дакле, не само да овај нови материјал елиминише потребу за скупим поправкама, већ и временом ојачава бетонске конструкције. Материјал се може користити не само за нове зграде, већ и за поправке постојећих структура. Мешање бактерија у специјализоване гелове пре него што се дода у цемент омогућава да се процес самоизлечења одвија вековима.

 

Видите ли светлост?

Још једна иновација која отвара очи у свету цемента и бетона – са бројним потенцијалним применама – је развој цемента који емитује светлост или фосфоресцентног цемента: цемента који буквално светли у мраку.

 

Истраживачи у Мексику су измислили мешавину цемента која може да апсорбује и складишти сунчеву светлост током дана, а затим да емитује светлост (тренутно у нијансама плаве или зелене) током 12 сати током ноћи. Материјал се може користити за осветљавање ствари као што су аутопутеви, бициклистичке стазе и зграде користећи само енергију апсорбовану из сунчеве светлости током дана. Има животни век од 100 година.

 

Тим је смислио генијалан начин да трансформише кристалну микроструктуру обичног цемента (што га чини непрозирним) у гел који може да апсорбује и емитује светлост. Материјал је и еколошки, јер се прави од песка, прашине или глине, а једина емисија током процеса производње је пара. Пројекат је привукао међународну пажњу и неколико компанија почиње да покреће производњу.

 

Хард повер

Још једна футуристичка иновација је цемент који може да проводи струју. Проводни цемент се већ користи за ствари као што су електрично уземљење, заштита од муње, електромагнетне сметње и термоелектрична производња. Сада, неколико тимова истраживача широм света ради на различитим начинима да побољшају проводљивост бетона како би његову примену подигли на виши ниво.

 

Истраживачи са Универзитета Лидс у Великој Британији развили су цементно једињење које користи јоне калијума за спровођење енергије. Ово омогућава бетонским конструкцијама да делују као батерије за складиштење и бежично емитовање енергије. То значи да би наши домови и канцеларије могли, у ствари, сами да се напајају.

 

Још једно откриће у радовима је мешавина цемента натопљена графеном за коју њен произвођач, аустралијска компанија Талга, тврди да делује као грејни елемент електричне пећи. Потенцијалне примене овог „енергетског“ бетона су огромне: од грејних подова до загрејаних путева и шеталишта, што би створило сигуран и еколошки прихватљив начин за чишћење леда зими.

 

Можда је најузбудљивија могућност да проводни цемент омогући бежично пуњење електричних возила - било док се возе или када су паркирани - користећи сунчеву енергију коју апсорбује бетонска површина аутопута или паркинга.

 

Ово је врста технологије која мења игру и која би омогућила у не тако далекој будућности да електрична возила замене аутомобиле и камионе који сагоревају фосилна горива, елиминишући огроман извор ЦО.₂ емисије.

 

Ферроцк у помоћ?

Ферроцк—револуционарни материјал налик бетону боје рђе који је случајно развио пре неколико година хемичар за животну средину у Сједињеним Државама—је једноставна, али невероватна супстанца. Направљен углавном од гвоздене прашине и силицијум диоксида (здробљеног стакла), који су лако доступни за рециклажу, Ферроцк заправо апсорбује, а не емитује ЦО₂ током процеса производње, што га чини грађевинским материјалом са негативним утицајем на угљеник.

 

Истраживања су још увек у току о томе како материјал ради оно што ради, али у суштини ЦО₂ реагује са рђом и формира гвожђе карбонат, закључавајући гас стаклене баште из атмосфере. Поред тога, Ферроцк се производи без потребе за високим температурама и такође јача када је изложен морској води. Ферроцк је пет пута јачи од портланд цемента и много флексибилнији, што га чини погоднијим од традиционалног бетона да издржи сеизмичку активност и индустријске процесе. Још увек у развоју, ускоро се очекује комерцијална производња.

 

Од Земље до Марса и назад

Тим архитеката и дизајнера у САД који ради на развоју прототипа станишта за подршку људском животу на Марсу можда је развио ултимативни одрживи грађевински материјал за будућност овде на Земљи.

 

Дизајнерска фирма АИ СпацеФацтори освојила је пола милиона долара од НАСА-е за свој прототип станишта на Марсу МАРСХА. Дизајн свемирског доба користи конструкцијски материјал по мери назван биополимер базалт композит, који је направљен од усева као што су кукуруз и шећерна трска и произведен коришћењем технологије 3Д штампања. Материјал је НАСА сертификован да је 501ТП3Т јачи и издржљивији од бетона.

 

Инспирисан МАРСХА-ом, тим је усмерио своју пажњу овде код куће и осмислио ТЕРА, верзију МАРСХА-е за Земљу користећи исте полимере на бази биљака. ТЕРА је доказ концепта за зграде будућности. Грађевински материјал је 1001ТП3Т који се може рециклирати и компостирати, а истовремено је јачи и издржљивији од традиционалног бетона.

 

Дрво је нови бетон

Још један традиционални грађевински материјал који се преиспитује за 21. век је дрво, које се из свих правих разлога враћа као грађевински материјал. Уз правилно управљање шумама, дрво је одржив грађевински материјал који апсорбује и закључава ЦО₂ из атмосфере.

 

Велика промена у свету дрвета је стални развој пројектованог дрвета—супер дрвета које је јаче, лакше и отпорније на ватру од челика. Неки архитекти га сада описују као бетон будућности.

 

Један од најважнијих од њих је унакрсно ламинирано дрво (ЦЛТ). Први пут развијен у Аустрији 1990-их, ЦЛТ је у основи супер-шперплоча направљена узимањем дасака из различитих врста дрвета и спајањем их заједно под правим углом. ЦЛТ конструкције се могу унапред израдити ван локације са великом прецизношћу, што им омогућава да их релативно мала посада састави скоро као Лего коцкице на градилишту.

Брзина и лакоћа изградње штеде време и новац.

Иако није сасвим ново, употреба конструисаног дрвета за грађевинарство је убрзана последњих година. У 2003. потрошња ЦЛТ-а широм света била је само 2.000 кубних метара. У 2018. утрошено је више од милион метричких тона.

 

Замкови направљени од ЦЛТ-а

Тренутно се већина ЦЛТ-а користи за изградњу ниских и средњих стамбених и индустријских зграда, укључујући канцеларије и складишта. Али како се употреба пројектованог дрвета наставља и грађевински прописи се ревидирају како би се омогућиле веће дрвене конструкције, видећемо више нечега што нисмо много раније видели: дрвене небодере.

 

Најновији кандидат за највишу дрвену конструкцију на свету је недавно најављена Канадска земаљска кула у Ванкуверу. Планови за зграду од 40 спратова укључују 200 станова и отворене вертикалне баште. Канада—са својом великом залихама одрживог дрвета— тренутно има преко 500 пројеката дрвених зграда средње висине у изградњи.

 

Јапан је још један пионир у дрвеним небодерима. Прошле године Сумитомо Гроуп је најавила планове за изградњу највишег дрвеног небодера на свету у Токију. Зграда од 70 спратова, названа В350, биће висока 350 метара по завршетку и биће направљена од хибрида дрвета и челика.

 

Поред његових еколошких и трошковних предности, постоји још једна добра ствар у вези са дрветом: људима се свиђа. Иако је потребно више истраживања, одавно је познато да дрво чини да се људи осећају боље: смањује стрес, побољшава квалитет ваздуха и подстиче опште благостање.

 

Нано-дрво је цоол

Још једна фасцинантна иновација у дрвету је „нано дрво“ које су развили истраживачи са Универзитета Мериленд. Овај нови материјал

има широке импликације као пасивно расхладно средство за нове и постојеће зграде.

 

Иако звучи високотехнолошки, показало се да је нано дрво релативно једноставно: тим је развио јефтин начин да узме обично рециклирано дрво и уклони једињења која га чине смеђим и тврдим. Оно што остаје је дрвени материјал направљен само од целулозних нановлакна и природни простори који преносе воду и хранљиве материје унутар живог дрвета. Овај материјал се затим компримује да би се обновила његова чврстоћа, а додаје се хидрофобно једињење како би био водоодбојан.

 

Резултат је светло бело „дрво“ које је изузетно ефикасно у одбијању и расипању топлоте и изузетно снажно: десет пута јаче од дрвета и три пута јаче од челика. Ова двострука својства чине нано-дрво идеалним као грађевински материјал, посебно за кровове и фасаде. Тестови показују да је 101ТП3Т ефикаснији у блокирању топлоте од стиропора или силика аерогела и до 30 пута издржљивији. Природна нано-структура материјала омогућава му да остане до 4 степена Целзијуса хладнији од ваздуха око њега, чак и током најтоплијег дела дана.

 

Нано-дрво је јефтино за производњу (тренутно око 7 УСД по квадратном метру) и идеално је и за нове градње и за реновирање постојећих зграда. Студије су показале да за зграде изграђене након 2004. године може смањити трошкове енергије за више од 201ТП3Т. За старије зграде уштеде су још веће.

 

Лице будућности

Потпуно стаклене фасаде дефинисале су већи део модерног урбаног пејзажа. Такве зграде могу бити елегантне и елегантне, али су у ствари и џиновски стакленици загрејани сунцем који захтевају огромне количине енергије за хлађење.

Према Међународној агенцији за енергију, количина енергије која се користи за хлађење зграда се удвостручила од 2000. године и сада чини око 141 ТП3Т укупне потрошње енергије. Висока еколошка цена фасада од потпуног стакла изазвала је све већу кампању истакнутих гласова који позивају на њихову забрану. Док је дебата у току, нова открића могу понудити решење.

 

Хомеостатске фасаде

Хомеостатске (саморегулишуће) фасаде могле би да промене игру када су у питању зграде будућности.

 

Развијен од стране архитектонског тима у САД, систем користи високотехнолошку траку уткану унутар шупљине двоструког стакла која се скупља или шири у зависности од спољне температуре. Флексибилна трака је направљена од специјалног полимерног материјала званог диелектрик који се може поларизирати уз врло малу потрошњу енергије. Траке реагују на промене температуре и или се скупљају да би пустили топлоту или се шире да би блокирале сунчеву светлост.

 

Вертикалне шуме

Још један заокрет на фасади будућности је да је буквално учини зеленом. Архитекте и програмери све више виде вертикалне баште као идеалан начин да се смање трошкови хлађења, а истовремено дају значајан допринос ЦО₂ редукција и чишћење урбаног ваздуха.

 

Добар пример је Миланов награђивани пројекат Босцо Вертицале (Вертикална шума) који је дизајнирао Стефано Боери Арцхитецтс. Завршене 2014. године, стамбене куле близнакиње уздижу се на висину од 116 метара и 76 метара и садрже више од 800 стабала и 14.000 биљака које представљају преко 100 врста.

 

Тим је такође добио комисију за пројектовање шумског града Лиузхоу у Кини — најамбициознијег светског пројекта вертикалне шуме до сада. Планови предвиђају стварање станова за 30.000 људи у низу небодера прекривених биљкама који укључују 40.000 стабала и милион биљака.

 

Сваке године се очекује да дрвеће у шумском граду Лиузхоу апсорбује 10.000 тона ЦО₂ и 57 тона загађивача у ваздуху док производи око 900 тона кисеоника. Пројекат ће смањити просечну температуру ваздуха у овој области, створити баријере од буке и повећати биодиверзитет стварањем станишта за птице и инсекте.

 

Контрола времена

Мање привлачан, али не мање важан развој за изграђено окружење је ново откриће које постојеће системе контроле климе за зграде чини експоненцијално ефикаснијим.

 

Системи грејања, вентилације и климатизације (ХВАЦ) који користе турбулентну размену топлоте су начин на који већина зграда у свету регулише своју унутрашњу климу. Ови системи дају велики допринос коришћењу енергије у изграђеном окружењу широм света.

 

Заједнички тим истраживача из САД и Кине прави таласе у свету ХВАЦ-а са релативно малом иновацијом са великим потенцијалом. Тим је узео органско једињење познато као ХФЕ, које је једина течност која се користи у неким системима за размену топлоте, и додала га у систем размене топлоте на бази воде да види шта ће се догодити.

 

После три године рада, резултати су импресивни. Тим је утврдио да додавање 11ТП3Т ХФЕ систему за ХВАЦ на бази воде може повећати његову ефикасност за запањујућих 5001ТП3Т, јер капљице ХФЕ у води убрзавају процес размене топлоте у целом систему.

 

Једно тренутно ограничење са овим продором је то што ради само за вертикалну размену топлоте. У току су адаптације за модификовање технике за хоризонталне системе размене топлоте.еластомери пресвучени сребром.