Naukowcy wykazali, że drukowanie 3D domów podnosi ich efektywność energetyczną

Naukowcy z Uniwersytetu w Teheranie opracowali nowatorski beton, który może być drukowany 3D w celu budowy domów w sposób generujący 400 razy mniejszą emisję CO2 niż obecnie budowane domy.

Podczas symulacji drukowania 3D domu, zespół odkrył, że użycie reaktywnego tlenku magnezu zmieszanego z izolacją termiczną i materiałami zmiennofazowymi (PCM) obniżyło zarówno zużycie energii, jak i wpływ na środowisko. Jeśli materiał ten zostanie zastosowany na szerszą skalę, inżynierowie twierdzą, że może on pomóc w uczynieniu druku 3D bardziej atrakcyjnym narzędziem do rozwiązywania problemów związanych z brakiem mieszkań i zmianą klimatu.

Według badań Komisji Europejskiej konwencjonalnie budowane budynki odpowiadają za 36% wszystkich emisji CO2 generowanych w UE. Oczywiście, ze względu na wzrost liczby ludności, przystępne cenowo budownictwo mieszkaniowe jest koniecznością, ale budowanie ich w sposób bardziej zrównoważony szybko staje się gorącym tematem badań. Badania te często dotyczą zmniejszenia obciążeń związanych z chłodzeniem i ogrzewaniem budynków.

Uważa się, że ma to kluczowe znaczenie dla poprawy zrównoważonego rozwoju procesu budowy domów, ponieważ może pomóc w obniżeniu zapotrzebowania na paliwo związane z ich budową i ogrzewaniem. Poprzednie badania wykazały, że jednym ze sposobów poprawy wydajności cieplnej takich budynków jest drukowanie 3D z PCM, zdolnych do pochłaniania ciepła w określonym zakresie i zarządzania temperaturą wewnętrzną.

Jednak zespół z Teheranu twierdzi, że te PCM udowodniły zdolność do „zwiększenia pojemności cieplnej”, ale ich właściwości mechaniczne mogą się pogorszyć, utrudniając ich potencjał do zastosowania końcowego. Inżynierowie twierdzą również, że inne materiały, w których sieci geopolimerów są wtopione w cement, mają mieszane powodzenie na płaszczyźnie środowiskowej, a niektóre z nich nadal mają wysoki ślad CO2.

Aby zidentyfikować optymalną formułę cementu dla domów drukowanych w 3D, zespół zbadał wydajność symulowanych budynków, realizowanych za pomocą cementów z tlenku magnezu (RMC) i sulfogaluminianu wapnia (CSA). W testach przeprowadzonych za pomocą oprogramowania DesignBuilder oba okazały się zdolne do szybkiego wiązania i wykazały wysoki poziom wytrzymałości początkowej, ale RMC miał wyższą wytrzymałość na ściskanie 60 MPa.

Kiedy przyszło do analizy zrównoważonego rozwoju tego budynku, badacze zdecydowali się poddać go pełnej ocenie cyklu życia (LCA), począwszy od wysyłki, poprzez zużycie materiałów i energii elektrycznej. Jak się okazało, wyniki LCA wykazały, że obie formuły cementu miały mniejszy wpływ na środowisko niż konwencjonalny cement portlandzki, przy czym zużycie energii przez CSA było wyższe niż w przypadku RMC.

Aby zwiększyć skuteczność materiałów w zarządzaniu temperaturą wewnętrzną, inżynierowie dodali później do mieszanek chlorek wapnia. Dodanie związku pozwoliło na wydrukowanie betonu 3D zdolnego do absorbowania i odprowadzania ciepła po osiągnięciu punktu topnienia lub zamarzania. Uzupełnienie RMC o piankę izolującą również wzmocniło ten efekt, optymalizując izolację budynku.

Próba nie do końca zakończyła się sukcesem, ponieważ ostatecznie okazało się, że obecność magnezu zwiększa rakotwórczą toksyczność ścian domu, ale drukowany w 3D RMC z izolacją miał najmniejszy wpływ na środowisko. W rezultacie zespół doszedł do wniosku, że druk 3D może „znacznie pomóc w zmniejszeniu zużycia energii” w budownictwie w przyszłości, nawet jeśli ich RMC pozostaje dość wodochłonne i ma problemy z toksycznością, które wymagają dopracowania.