Впервые был испытан гидрогельный материал на основе наноцеллюлозы и водорослей в качестве альтернативного и экологически более чистого строительного материала. Исследование, проведенное Университетом технологии Чалмерса в Швеции и Центром лесной науки Валленберга, продемонстрировало возможности 3D-печати обильного устойчивого материала в различные архитектурные компоненты с заметным снижением энергопотребления по сравнению с традиционными методами строительства.
На текущий момент строительная индустрия потребляет 50% мировых ископаемых ресурсов, генерирует 40% глобальных отходов и ответственна за 39% мировых выбросов углекислого газа. Активно ведется исследование биоматериалов и их применений с целью перехода к более экологически устойчивому будущему, соответствующему, например, Европейскому зеленому соглашению.
Наноцеллюлоза, хотя и не является новым биоматериалом, известна своими свойствами в области биомедицины, где ее можно использовать для 3D-печати сеток для роста тканей и клеток из-за биосовместимости и влажности. Однако ее использование в сухом виде в качестве строительного материала ранее не осуществлялось.
"В данном исследовании впервые было исследовано архитектурное применение гидрогеля на основе наноцеллюлозы. Мы предоставили новые знания о его характеристиках и продемонстрировали, используя образцы и прототипы, возможность регулировки этих характеристик через индивидуальное цифровое проектирование и роботизированную 3D-печать", - отмечает Малгожата Жбойнска, ведущий автор исследования из Университета технологии Чалмерса.
Команда использовала волокна наноцеллюлозы и воду с добавлением водорослевого материала альгината. Альгинат придавал материалу дополнительную гибкость при высыхании, что делает его пригодным для 3D-печати.
Целлюлоза рассматривается как одна из наиболее изобильных экологически чистых альтернатив пластику, так как она представляет собой один из побочных продуктов крупнейших отраслей мировой промышленности. "Наноцеллюлоза, использованная в данном исследовании, может быть получена из лесного хозяйства, сельского хозяйства, бумажных заводов и остатков сельского хозяйства. Это изобильный материал", - отмечает Малгожата Жбойнска.
3D-печать и наноцеллюлоза: ресурсоэффективная техника
Архитектурная индустрия в настоящее время находится в окружении цифровых технологий, что открывает новые возможности использования разнообразных методов. Согласно Европейскому зеленому соглашению, к 2030 году здания в Европе должны стать более ресурсоэффективными, что может быть достигнуто повышением утилизации материалов, таких как наноцеллюлоза, полученная из отходов отрасли. Вместе с тем, стремление сделать здания более циркулярными подчеркивает важность применения передовых цифровых технологий для достижения этих целей.
"3D-печать представляет собой ресурсоэффективный метод, позволяющий создавать продукты без использования форм и литых форм, что уменьшает образование отходов. Это также энергосберегающий метод. Используемая роботизированная 3D-печать не требует нагрева, а использует только воздушное давление. Это экономит энергию, так как работает при комнатной температуре", - подчеркивает Малгожата Жбойнска.
Энергосберегающий процесс базируется на свойствах снижения вязкости гидрогеля из наноцеллюлозы. Под давлением он становится жидким, что позволяет его 3D-печатать, но при снятии давления он сохраняет свою форму. Это позволяет исследователям работать без энергозатратных процессов, привычных для строительной индустрии.
Малгожата Жбойнска и ее команда разработали различные траектории движения инструментов для использования в процессе роботизированной 3D-печати с целью изучения поведения гидрогеля из наноцеллюлозы при высыхании в различных формах и узорах. Эти высушенные формы могут служить основой для проектирования разнообразных архитектурных компонентов, таких как легкие перегородки, жалюзи и системы настенных панелей. Они также могут быть основой для облицовки существующих строительных компонентов, таких как плиты для облицовки стен, звукопоглощающие элементы и комбинирование с другими материалами для облицовки несущих стен.
Будущее экологически чистых строительных материалов
"Традиционные строительные материалы предназначены для долгосрочного использования, обычно превышающего сотни лет. Они характеризуются предсказуемым поведением и гомогенными свойствами. Материалы, такие как бетон и стекло, способны выдерживать воздействие времени, и их старение известно заранее. В отличие от этого, биоразлагаемые материалы содержат органическую материю, предназначенную для биоразложения и возвращения в природу. Это требует новых знаний о применении их в архитектуре, учета их коротких циклов жизни и гетерогенных характеристик, близких к природным, а не искусственным условиям. Исследователи, дизайнеры и архитекторы в настоящее время ищут способы проектирования продуктов из этих материалов с учетом их функциональности и эстетики", - отмечает Малгожата Жбойнска.
Это исследование предоставляет начальные шаги в демонстрации возможностей масштабирования конструкций мембран из наноцеллюлозы, высушиваемых в атмосфере и 3D-напечатанных, а также нового понимания взаимосвязей между проектированием траекторий нанесения материала при 3D-печати и размеренными, текстурными и геометрическими эффектами в конечных конструкциях. Эти знания являются ключевым шагом для разработки, через дальнейшие исследования, приложений наноцеллюлозы в архитектурных продуктах, соответствующих конкретным функциональным и эстетическим требованиям пользователей.
"Ограниченные сведения о свойствах новых биоразлагаемых материалов побуждают исследователей в области архитектуры к поиску альтернативных подходов к проектированию этих продуктов, не только в терминах их функциональных характеристик, но и вопроса их приемлемости для пользователей. Эстетика биоразлагаемых материалов играет здесь важную роль. Если мы предлагаем эти материалы обществу и людям, нам необходимо уделить внимание их дизайну. Это становится ключевым фактором для принятия этих материалов. Если они не будут приняты обществом, цели циркулярной экономики и устойчивой среды обитания останутся недостижимыми".