Достъпен, универсален и невероятно здрав, бетонът е най-използваният изкуствен материал в света.

Но за съжаление, той има и огромен въглероден отпечатък, отговорен за около 8% от глобалните емисии на парникови газове.

Този икономически сектор се опитва да намали въздействието си върху околната среда от години чрез устойчиви бетонни смеси или ефективни дизайни.

Сега в битката се включва и изследователски екип от Университета на Пенсилвания, който комбинира нови материали и дизайн, но без да прави компромис със здравината и издръжливостта.

Проектът, наречен Diamanti, черпи вдъхновение от природата и използва роботизиран 3D принтер, за да създава сложни, подобни на решетка модели с устойчива бетонна смес.

Докато повечето обикновени бетони абсорбират въглероден диоксид (до 30% от производствените емисии през целия си жизнен цикъл, според някои изследвания), подобрената бетонна смес на Diamanti абсорбира 142% повече въглероден диоксид.

Първият му проект - пешеходен мост, използва 60% по-малко материал, като същевременно запазва механичната си здравина, казва Масуд Акбарзаде, доцент по архитектура в Университета на Пенсилвания и директор на лабораторията, ръководеща проекта.

„Чрез милиони години еволюция природата се е научила, че не е необходим материал навсякъде. Ако вземете напречно сечение на кост, ще осъзнаете, че тя е доста пореста, но има определени модели, в които се пренася натоварването (или теглото).“

Чрез имитиране на структурите в определени порести кости – известни като структури с тройно периодична минимална повърхност (TPMS) – Diamanti увеличава както повърхността на моста, така и потенциалът за абсорбция на въглерод от бетонната смес с още 30%.

„Повърхността, заедно с това свойство на материала, максимизира реакцията с въглерода на микроскопично ниво“, казва Акбарзаде.

„Това допринася много както за намаляването, така и за абсорбцията на (въглероден диоксид).“

Проектът, стартиран през 2022 г. в сътрудничество с швейцарската химическа компания Sika и с грантове от Министерството на енергетиката на САЩ, сега се готви да изгради първия си прототип в пълен размер във Франция.

Промени в бетона

Здравостта, издръжливостта и безопасността на бетона, като огнеустойчивостта, „са от основно значение за това защо се използва в мащаба, в който е“, казва Андрю Минсън, директор по бетон и устойчиво строителство в Глобалната асоциация за цимент и бетон.

Циментовата индустрия е положила значителни усилия за подобряване на устойчивостта, като е намалила въглеродните си емисии с 25% на метричен тон между 1990 и 2023 г.

Въпреки това, емисиите на сектора днес са по-високи, отколкото през 2015 г., поради увеличеното търсене, според Международната агенция по енергетика (МАЕ).

По-голямата част от емисиите му – около 90% – идват от цимента, казва Ду Хонгджиан, старши преподавател по строително инженерство в Националния университет на Сингапур, който не участва в проекта Diamanti.

Циментът е свързващо вещество, което се втвърдява при смесване с вода и се използва в строителни материали, включително бетон, където държи заедно агрегатиq като пясък и камък.

Енергийно интензивният процес за производство на цимент включва разграждане на варовик при температури до 2000 градуса по Целзий в пещ, което генерира въглеродни емисии.

Освен това, варовикът е калциев карбонат, който отделя въглероден диоксид при високи температури - причина за по-голямата част от емисиите на цимент, казва Хонгджиан.

Замяната на част от цимента с други материали може да помогне за намаляване на въглеродния му отпечатък и няколко компании и организации проучват по-абсорбиращи бетонни смеси:

  • Японската CO2-SUICOM заявява, че бетонната ѝ смес е въглеродно отрицателна.
  • Базираната в Обединеното кралство Seratech е една от няколкото компании, които включват абсорбиращия CO2 минерал оливин в цимента, за да го направят по-устойчив.

Бетонната смес на Diamanti, разработена от д-р Шу Ян в катедрата по материалознание на Университета на Пенсилвания, използва диатомитна пръст (DE) - естествено порест, богат на силициев диоксид материал, направен от вкаменени водорасли, за да замени част от цимента.

Този биоминерал създава „канали“ в бетона, които позволяват на въглеродния диоксид да проникне под повърхността, казва Хонгджиан.

Въпреки това, DE е имал глобално производство от 2.6 милиона тона през 2023 г. - така че, макар Хонгджиан да вярва, че материалът има потенциал, „веригата за доставки трябва да се обмисли за бъдещо по-широко приложение“, ако иска да отговори на огромното търсене на бетон, казва той.

Минсън е съгласен, че доставките може да са проблем, но че там, където суровината е налична, тя може да осигури „нишово решение“.

„Няма чародейно решение. Трябва да предприемем всички възможни действия, за да управляваме нуждите от материали и да намалим въглеродните емисии“.

Друг иновативен аспект на изследването е увеличената повърхност: бетонът абсорбира въглероден диоксид, но „само повърхностният бетон, който е изложен на въздуха, има този достъп до CO2“, казва Хонгджиан.

Иновативният двустранен подход на Diamanti предоставя на сектора решения, които могат да се използват заедно или поотделно, казва Хонгджиан, добавяйки:

„Дори без иновациите в материалите, самата повърхност позволява по-висока абсорбция на CO2.“

Преодоляване на празнината

Преди да използва Diamanti в реалния свят, екипът трябваше да го тества, като създаде прототип на мост.

Мостът е модулен и всеки блок се отпечатва с помощта на роботизирана ръка и след това се свързва с опънат кабел. Според Акбарзаде, 3D печатът намалява времето за строителство, материалите и потреблението на енергия с 25%, а структурната му система намалява нуждата от стомана с 80%, като минимизира използването на друг материал с голямо количество емисии.

Той добавя, че използването на техниката с бетона на Diamanti значително намалява емисиите на парникови газове, в сравнение с обичайните строителни техники и намалява строителните разходи с 25% до 30%.

Първо, екипът строи петметров прототип, за да демонстрира осъществимостта, преди да създаде по-голяма 10-метрова версия с материал, предоставен от Sika Group Switzerland за тестове за натоварване, които преминават с отличие, казва Акбарзаде:

„Той надмина всички наши очаквания.“

Прототипът в момента е изложен в Европейския културен център във Венеция за Архитектурното биенале Венеция 2025.

Акбарзаде и екипът публикуваха своите открития в списанието Advanced Functional Materials на Wiley по-рано тази година и първоначално се надяваха да построят първия пълномащабен мост от проекта във Венеция.

Но след като градът промени разпоредбите си относно новите мащабни конструкции, екипът започва да търси други емблематични водни пътища в Европа.

Акбарзаде си партнира със студиото за дигитален дизайн Fortes Vision, за да създаде концептуални дигитални рендери, които визуализират моста над река Сена в центъра на Париж.

През септември проектът получи одобрение за изграждането на първия си мост във Франция, въпреки че мястото все още се търси. Акбарзаде е развълнуван да тества проектите си в реалния свят, където ще продължи да наблюдава и оценява отблизо конструкцията.

Освен мостовете, екипът проучва и други архитектурни приложения, като например сглобяеми подови системи. Това не е универсално решение, казва Акбарзаде, но се надява, че Diamanti може да създаде „цял нов свят от възможности“ за бетона.

Новините на Darik Business Review във Facebook , Instagram , LinkedIn и Twitter !