انقلاب سبز در ساختوساز با بتن جلبکی
پژوهشگران دانشگاه پنسیلوانیا موفق به تولید نوعی زیستبتن نوآورانه شدهاند که علاوهبر برخورداری از استحکام بالا و وزن کم قادر است تا ۱۴۲ درصد بیشتر از بتنهای معمولی دیاکسیدکربن جذب کند. این ماده ساختمانی جدید، که با الهام از ساختارهای فسیلی جلبکهای میکروسکوپی طراحی شده میتواند تحولی در کاهش اثرات زیستمحیطی صنایع ساختوساز ایجاد کند.
به گزارش new atlas تیم مشترکی از دانشمندان مواد، مهندسان و طراحان معماری در دانشگاه پنسیلوانیا (UPenn) با استفاده از فناوری چاپ سهبعدی و ساختارهای هندسی پیچیده که در طبیعت یافت میشود موفق به تولید بتنی با قابلیت جذب بالای دیاکسیدکربن شدهاند. این بتن جدید که «زیستبتن فسیلی» نام گرفته از ترکیب مواد معدنی طبیعی مانند خاک دیاتومه (Diatomaceous Earth) ساخته شده است؛ مادهای پودری که از بقایای فسیلشده جلبکهای دیاتوم تشکیل شده و ویژگیهایی همچون وزن سبک، سطح تماس بالا و تخلخل مطلوب برای جذب کربن دارد.
شو یانگ رئیس دپارتمان علم مواد در مدرسه مهندسی دانشگاه پنسیلوانیا و یکی از نویسندگان ارشد این مطالعه میگوید: بهطور معمول افزایش تخلخل یا سطح تماس در یک ماده به کاهش استحکام آن منجر میشود، اما در این پروژه خلاف آن ثابت شد؛ بهگونهای که با گذر زمان، ماده نه تنها استحکام خود را از دست نداد، بلکه قویتر نیز شد.
در حالی که بتن پس از آبپرکاربردترین ماده در جهان است، تولید آن بهتنهایی مسئول حدود ۸ درصد از کل انتشار گازهای گلخانهای است. راهکارهای فعلی برای بهبود پایداری بتن معمولاً هزینهبر، پیچیده و کماثر هستند. اما بتن جدید دانشگاه پنسیلوانیا با استفاده از روشهای ساده و کمهزینه موفق شده میزان جذب کربن را تا بیش از دو برابر افزایش دهد.
برای تولید این بتن ابتدا خمیری با پایه سیمانی طراحی شد که برای چاپ سهبعدی مناسب باشد. این ترکیب شامل سیمان پرتلند ماسه نرم، دوده سیلیسی و فوقروانکننده بود تا ضمن کاهش آب خاصیت جریانپذیری مناسب برای چاپ حفظ شود. سپس با استفاده از چاپگرهای رباتیک ساختارهای شبکهای شبیه به پوستههای زیستی – موسوم به سطوح حداقلی سهدورهای یا TPMS – چاپ شد. این ساختارها همزمان دو هدف را دنبال میکردند: ایجاد فضا برای جذب کربن و تأمین استحکام مکانیکی.
پس از چاپ بتنها برای مرحله گیرش (سفت شدن) رها شدند و سپس لایهای از هیدروکسید کلسیم روی آنها اعمال شد تا ظرفیت جذب دیاکسیدکربن افزایش یابد. بررسیها نشان داد که این ماده جدید نه تنها قادر است ساختارهایی با مقاومت فشاری مشابه بتن رایج بسازد بلکه در صورت بهینهسازی هندسی جذب دیاکسیدکربن آن تا ۳۰ درصد نیز بیشتر میشود.
از سوی دیگر نتایج آزمایشهای عملی نشان داد که استفاده از این بتن با طراحی TPMS ضمن کاهش ۶۸ درصدی در مصرف مواد اولیه نسبت سطح به حجم را بیش از ۵۰۰ درصد افزایش میدهد. بهطور خاص یک مکعب چاپشده از این بتن میتواند تا ۱۴۶ درصد بیشتر از مکعبی با حجم مشابه از بتن سنتی دیاکسیدکربن جذب کند و در عین حال تنها با ۹۰ درصد از مقاومت فشاری بتن معمولی به کار گرفته شود.
مسعود اکبرزاده، استاد معماری در مدرسه طراحی ویتزمن دانشگاه پنسیلوانیا و یکی دیگر از نویسندگان اصلی این پژوهش میگوید: ما در این پروژه نشان دادیم که میتوان با مصرف ۶۰ درصد کمتر از مواد، همچنان بار سازهای را تحمل کرد. این دستاورد گواهی است بر آنکه با طراحی هوشمندانه، میتوان با مواد کمتر، عملکرد بیشتری به دست آورد.
در کنار نوآوری مهندسی نقش جلبکهای دیاتوم در این دستاورد برجسته است. این موجودات تکسلولی کوچک قادرند پوستههایی از جنس سیلیکا با نظم نانومتری و تقارن بینظیر بسازند که در فرآیند طراحی این بتن الهامبخش پژوهشگران بوده است. همچنین بررسیها نشان میدهد که شبکه تخلخل داخلی خاک دیاتوم نه تنها امکان جذب مؤثر دیاکسیدکربن را فراهم میکند، بلکه در حین گیرش بتن، به تشکیل کلسیمکربنات نیز کمک میکند که این خود موجب تقویت ساختار و افزایش ظرفیت جذب کربن میشود.
پژوهشگران اکنون در تلاشاند تا این فناوری را در مقیاس بزرگ توسعه دهند و از آن برای ساخت دیوارها، کفها و پنلهای باربر استفاده کنند. همچنین در حال بررسی این موضوع هستند که آیا میتوان با حذف کامل سیمان یا جایگزینی آن با پسماندهای صنعتی باز هم عملکرد مشابه یا حتی بهتری به دست آورد یا خیر.
یانگ در پایان میافزاید: لحظهای که ما بتن را نه بهعنوان مادهای ایستا، بلکه بهعنوان مادهای پویا که با محیط خود واکنش نشان میدهد در نظر گرفتیم، دریچهای جدید به سوی آینده باز شد.
نتایج این پژوهش در نشریه Advanced Functional Materials منتشر شده است.
انتهای پیام/
