دانشمندان موفق شدهاند با استفاده از یک ماده طبیعی استخراجشده از جلبک دریایی، مصالح ساختمانی جدیدی تولید کنند که هم برای چاپ سهبعدی مناسبتر هستند و هم استحکام بیشتری نسبت به نمونههای رایج دارند. نکته جالب اینکه ماده اصلی این فناوری همان ترکیبی است که سالها در صنایع غذایی برای ایجاد بافت خامهای بستنی یا تولید حبابهای ژلهای نوشیدنیهای بوبا استفاده میشود.
پژوهشگران دانشگاه کلرادو بولدر و دانشگاه کلمبیا در مطالعهای جدید نشان دادهاند که افزودن مقدار بسیار کمی از «سدیم آلژینات» به مخلوط خاک رس و ماسه، باعث میشود این ترکیب به مادهای ایدهآل برای چاپ سهبعدی تبدیل شود. علاوه بر این، مصالح ساختمانی حاصل از این روش تا ۲۵ درصد مقاومت بیشتری در برابر فشار از خود نشان میدهند.
راز موفقیت در عصاره جلبک دریایی است
سدیم آلژینات یک بیوپلیمر طبیعی است که از جلبکهای دریایی استخراج میشود و سالهاست در صنایع غذایی به عنوان غلظتدهنده و پایدارکننده مورد استفاده قرار میگیرد.
اما اکنون دانشمندان دریافتهاند همین ماده میتواند تحول بزرگی در صنعت مصالح ساختمانی ایجاد کند.
بررسیها نشان داد سدیم آلژینات بار الکتریکی ذرات خاک رس را تغییر میدهد. در نتیجه، ذرات به جای چسبیدن به یکدیگر، یکدیگر را دفع میکنند و همین موضوع باعث میشود مخلوط خاک و ماسه روانتر شده و بدون گرفتگی از نازل چاپگر سهبعدی عبور کند.
«ویل سربار»، استاد مهندسی عمران، محیطزیست و معماری دانشگاه کلرادو بولدر، در اینباره میگوید: “از تپههای موریانهها گرفته تا خانههای خشتی، انسانها و حیوانات از ابتدای تاریخ با خاک سازه ساختهاند. اما تاکنون علم چندانی درباره نحوه طراحی این نوع مصالح وجود نداشت. ما میخواستیم با استفاده از دانش و ابزارهای علمی، عملکرد این مواد را بهتر درک کنیم.”
طبیعت، الهامبخش نسل جدید مصالح ساختمانی
پژوهشگران برای توسعه این فناوری، نگاه خود را به طبیعت معطوف کردند. موریانهها، زنبورهای وحشی و حتی برخی کرمهای دریایی بدون استفاده از سیمان، سازههایی بسیار مقاوم و پیچیده میسازند.
این موجودات از مولکولهای زیستی موجود در بزاق خود برای اتصال ذرات خاک استفاده میکنند و سازههایی با دوام بالا ایجاد میکنند. همین موضوع الهامبخش دانشمندان شد تا به دنبال بیوپلیمرهای طبیعی مناسب برای تولید مصالح ساختمانی جدید باشند.
در این تحقیق، پنج نوع ماده طبیعی مختلف مورد آزمایش قرار گرفتند؛ موادی که برخی از آنها حتی در آشپزخانه نیز کاربرد دارند، از جمله زانتان گام و گوار گام.
اما بیشتر این ترکیبات مانند یک چسب بسیار قوی عمل کردند. در نتیجه، ذرات خاک بیش از حد به یکدیگر چسبیدند و مسیر خروج مواد از نازل چاپگر سهبعدی مسدود شد.
سدیم آلژینات نتیجهای کاملا متفاوت ایجاد کرد
رفتار سدیم آلژینات کاملا متفاوت بود. این ماده برخلاف سایر افزودنیها، نقش چسب را ایفا نمیکرد. در عوض، بار الکتریکی ذرات خاک رس را تغییر میداد و باعث میشد ذرات مانند دو قطب همنام آهنربا یکدیگر را دفع کنند. در نتیجه، ذرات بهآسانی روی هم حرکت میکردند.
مخلوط حاصل مانند یک مایع روان از نازل چاپگر عبور میکرد، اما پس از چاپ، به سرعت سخت شده و استحکام بالایی پیدا میکرد.
نکته قابل توجه اینکه پژوهشگران تنها با افزودن ۰.۱۲ درصد سدیم آلژینات به خاک استخراجشده از یک معدن در ایالت کلرادو توانستند این نتیجه را به دست آورند.
همین مقدار اندک کافی بود تا مخلوط جدید نسبت به خاک معمولی حدود ۳۳ درصد سریعتر چاپ شود. علاوه بر این، مصالح ساختمانی تولیدشده با این روش توانستند ۲۵ درصد فشار بیشتری را نسبت به نمونههای معمولی تحمل کنند.
آزمایش عملی موفقیتآمیز بود
برای ارزیابی عملکرد این فناوری، پژوهشگران دیواری بسیار نازک با ضخامت تنها ۸ میلیمتر چاپ کردند. این دیوار با زاویهای حدود ۶۰ درجه به سمت بیرون متمایل بود؛ زاویهای که حتی از برج مشهور کج پیزا نیز بیشتر است.
با وجود این شیب زیاد، دیوار کاملا پایدار باقی ماند و هیچ نشانهای از فروریختن یا تغییر شکل در آن مشاهده نشد. این آزمایش نشان داد فناوری جدید میتواند امکان ساخت سازههایی با طراحیهای پیچیدهتر و استفاده کمتر از قالبهای سنتی را فراهم کند.
کاهش ضایعات ساختمانی و حفظ محیط زیست
مزیت مهم دیگر این فناوری، تأثیر آن بر کاهش آلودگیهای زیستمحیطی است. در پروژههای ساختمانی، هنگام حفاری برای ساخت پی یا زیرزمین، حجم بسیار زیادی از خاک از محل پروژه خارج میشود.
در بیشتر موارد، این خاک با کامیون به محل دفن زباله منتقل میشود؛ فرآیندی که هم هزینه بالایی دارد و هم باعث افزایش انتشار گازهای گلخانهای میشود. اما با فناوری جدید، همین خاک حفاریشده میتواند مستقیما در محل پروژه به مصالح ساختمانی تبدیل شود.
به این ترتیب، خاکی که پیش از این به عنوان ضایعات ساختمانی شناخته میشد، به ماده اولیه تولید دیوارها و سایر اجزای سازه تبدیل خواهد شد.
دیوارهای خاکی مزایای طبیعی فراوانی دارند
پژوهشگران میگویند دیوارهای ساختهشده از خاک مزایای متعددی نسبت به مصالح رایج دارند. این دیوارها به طور طبیعی رطوبت محیط را تنظیم میکنند و به حفظ تعادل دمای داخل ساختمان کمک میکنند.
همچنین میتوانند بخشی از آلایندههای موجود در هوا را جذب کنند و مانند یک عایق حرارتی طبیعی عمل کنند. در نتیجه، ساختمانها در تابستان خنکتر و در زمستان گرمتر باقی میمانند و مصرف انرژی برای سرمایش و گرمایش کاهش پیدا میکند.
به همین دلیل، استفاده از این نوع مصالح ساختمانی میتواند علاوه بر کاهش هزینههای ساخت، مصرف انرژی ساختمانها را نیز در بلندمدت کاهش دهد.
جایگزینی برای بتن پرکربن
از آنجا که خاک رس و ماسه تقریبا در سراسر جهان به وفور یافت میشوند، این فناوری محدود به منطقه خاصی نخواهد بود.
به اعتقاد پژوهشگران، این روش میتواند در بسیاری از کشورها جایگزین مناسبی برای بتن باشد؛ مادهای که تولید آن یکی از بزرگترین منابع انتشار دیاکسیدکربن در جهان محسوب میشود.
به جای استفاده از حجم زیادی سیمان و بتن، میتوان از همان خاک موجود در محل پروژه برای تولید مصالح ساختمانی بهره گرفت و اثرات زیستمحیطی صنعت ساختمان را به میزان قابل توجهی کاهش داد.
تحقیقات هنوز ادامه دارد
اگرچه تمرکز اصلی این مطالعه بر افزایش قابلیت چاپ سهبعدی خاک بوده است، اما پژوهشگران تأکید میکنند این تازه آغاز مسیر است. چارچوب علمی ارائهشده در این تحقیق اکنون امکان بررسی سایر بیوپلیمرهای طبیعی را نیز فراهم کرده است.
به گفته محققان، شاید در آینده ترکیبات طبیعی دیگری کشف شوند که بتوانند استحکام، دوام و مقاومت مصالح ساختمانی چاپ سهبعدی را بیش از پیش افزایش دهند.
در صورت تحقق این هدف، صنعت ساختمان میتواند به سمت استفاده گسترده از مواد کاملا طبیعی، قابل بازیافت و کمکربن حرکت کند؛ موادی که نهتنها ساختوساز را سریعتر و ارزانتر میکنند، بلکه آسیب بسیار کمتری به محیط زیست وارد خواهند کرد. این فناوری میتواند یکی از مهمترین گامها در توسعه ساختمانهای پایدار و نسل آینده مصالح ساختمانی مبتنی بر منابع طبیعی باشد.