Formula ekologického betónu, vyvinutá americkými výskumníkmi, využíva skamenené organizmy a pokročilé technológie na vytvorenie ľahších a odolnejších konštrukcií, čím pomáha bojovať proti zmene klímy na architektonickej úrovni.
Tím Pensylvánskej univerzity dosiahol významný pokrok vo vývoji stavebných materiálovodolných voči vplyvom životného prostredia vďaka betónu, ktorý absorbuje o 142 % viac oxid uhličitý ako bežné zmesi.
Kľúčom k tomuto úspechu je pridanie diatomovej zeminy a použitie 3D tlače, čo umožňuje znížiť množstvo surovín a zachovať štrukturálnu integritu, podľa správy samotnej univerzity, ktorá bola predložená v decembri 2024. Táto správa, uverejnená a podrobne opísaná v časopise Advanced Functional Materials, predstavuje nový betón ako alternatívu schopnú minimalizovať vplyv priemyslu na životné prostredie.
Výroba betónu predstavuje približne 9 % celosvetových emisií skleníkových plynov, ako uvádza Pensylvánska univerzita. V súvislosti s tým vedecká komunita a projektanti zintenzívnili hľadanie čistejších a efektívnejších riešení, ktoré je možné integrovať bez zníženia funkčnosti a trvácnosti.
Tento vývoj reaguje na rastúci dopyt po ekologických riešeniach pre veľké stavebné projekty a zavádza prírodné zložky a technológie, ktoré menia tradičné vnímanie betónu.
Prečo uhlíková stopa betónu trápi odvetvie
Počas svojej dlhej histórie, ktorá sa začala v staroveku, betón slúžil ako základ významných budov a stavieb. Jeho masívne používanie však výrazne prispieva k globálnym emisiám, čo univerzita opakovane zdôrazňuje.
Z tohto dôvodu sa inžinieri, architekti a vedci rozhodli sústrediť svoje úsilie na prehodnotenie klasických receptúr s cieľom vytvoriť zmesi, ktoré zabezpečujú pevnosť, ale zároveň sú schopné aktívne zachytávať uhlík.
Tím zapojený do nového vývoja prizval odborníkov z rôznych disciplín, aby vytvorili kombináciu nových materiálov a procesov. Ich hlavným cieľom bolo vyvinúť betón, ktorý si zachová vlastnosti potrebné na stavbu a zároveň zníži vplyv na životné prostredie pomocou metód zachytávania a mineralizácie oxidu uhličitého.
Diatomová zemina a geometria inšpirovaná prírodou
Táto inovácia je založená na použití diatomovej zeminy, porézneho produktu získaného z skamenených mikroorganizmov, ktorý poskytuje výnimočnú textúru. Tento materiál zvyšuje stabilitu počas tlače a zvyšuje počet bodov dostupných pre reakciu s CO2. Pensylvánska univerzita upresnila, že výsledná mineralizovaná zmes vyžaduje menej cementu, čo zlepšuje ekologickú bilanciu aj pomer hmotnosti a pevnosti nových konštrukcií.
Použitie 3D tlače bolo nevyhnutné na zdokonalenie receptúry. Kung-Hao Yu, vedúci výskumník v skupine Shu Yang, vylepšil zloženie „atramentu“ pre betón a upravil také detaily, ako je pomer vody, priemer trysky a rýchlosť nanášania.
Yu v vyhlásení uverejnenom Pensylvánskou univerzitou uviedol, že betón musí veľmi rýchlo prejsť z tekutého stavu do tuhšieho a získať svoje konečné vlastnosti počas a po tlači. Tieto technické nastavenia boli rozhodujúce pre vytvorenie funkčného materiálu s vysokou schopnosťou absorpcie uhlíka.
Za zmienku stojí aj geometrický prístup. Pod vedením Masuda Akbarzadeho sa skupina obrátila na konštrukcie založené na trojitých minimálnych periodických plochách (TPMS). Tieto geometrické tvary, ktoré sa vyskytujú v prírodných systémoch, ako sú kosti a koraly, maximalizujú dostupnú plochu, optimalizujú rozloženie zaťaženia a minimalizujú množstvo potrebného materiálu.
Akbarzade s pomocou polyedrickej statiky vysvetlil, ako boli vytvorené prvky, ktoré si zachovávajú pevnosť aj pri znížení množstva použitého materiálu o 60 %. Testovanie vykonané na betónových kockách TPMS ukázalo 90 % pevnosti v tlaku v porovnaní s tradičnými verziami, zatiaľ čo účinnosť zachytávania oxidu uhličitého sa zvýšila o 32 % na jednotku cementu.
Veda, ktorá je základom novej pevnosti a jej ekologických aplikácií
Shu Yang, profesorka inžinierstva a materiálových vied, zdôraznila, že betón zvyšuje svoju pevnosť pri absorpcii CO2. Toto pozorovanie je v rozpore s tradičnými modelmi, podľa ktorých zvýšenie pórovitosti zvyčajne znižuje pevnosť materiálov. V prípade vývoja Pensylvánskej univerzity pórovitosť poskytuje technické výhody tým, že stimuluje difúziu oxidu uhličitého a tvorbu uhličitanu vápenatého, čo posilňuje štruktúru.
Tím tiež zdôraznil reologickú hodnotu – táto oblasť sa zaoberá štúdiom toku a interakcie častíc – a prínos diatomovej zeminy k zlepšeniu vytvrdzovania betónu. Yu povedal, že napriek zložitosti práce s 3D tlačiarňami a vysoko poréznymi zmesami sa materiál po absorpcii CO2 stal pevnejším, čo prekvapilo samotných vedúcich projektu.
Možnosti použitia sú veľmi široké. Tento betón bol vyvinutý pre architektonické prvky, ako sú dosky, fasády a nosné panely, ale jeho vysoká pórovitosť a kompatibilita s morskými ekosystémami umožňujú jeho použitie v umelých útesoch, ústrých alebo systémoch ekologickej obnovy.
Profesorka Yan vysvetlila, že obrovská povrchová plocha stimuluje rast morských organizmov, čím sa betón stáva aktívnym účastníkom procesu zlepšovania kvality vody a zachytávania oxidu uhličitého.
Budúce perspektívy a horizonty pre udržateľnú architektúru
V najbližších rokoch bude Pensylvánska univerzita pokračovať v práci na rozšírení rozsahu na makroštruktúry, využívaní inovatívnych výstužných materiálov, optimalizácii geometrie a experimentovaní s inými menej znečisťujúcimi spojivami. Výskum zahŕňa možnosť upustiť od tradičného cementu alebo využiť priemyselné odpady ako zložku zloženia.
„Chceme ísť ešte ďalej: je možné vyvinúť zmesi, ktoré úplne neobsahujú cement, alebo premeniť toky priemyselných odpadov na aktívne zložky?“ povedal Shu Yang. Konečným cieľom je zmeniť tradičné vnímanie tohto materiálu, posilniť jeho schopnosť interagovať s okolím a zvýšiť jeho príspevok k zníženiu emisií uhlíka v stavebníctve.
Projekt, ktorý podporuje Ministerstvo energetiky USA a Vagelos Institute for Energy Science and Technology, odráža silu medzidisciplinárnej spolupráce pri riešení problému zmeny klímy prostredníctvom konkrétnych technologických návrhov.
