Биобетон на 3D-принтере: поглощает углерод и невероятно прочный
Вдохновением для команды из Пенсильванского университета стали микроскопические диатомовые водоросли — древние организмы с удивительной способностью строить прочные и пористые оболочки из кремнезема. Ученые воссоздали эти структуры в бетоне, используя технологию 3D-печати, и получили материал нового поколения, который обладает исключительной прочностью и высокой эффективностью в деле поглощения CO₂.
Новая разработка станет экологичной альтернативой традиционного бетона — второго по потреблению материала на Земле после воды и при этом ответственного за почти 8% мировых выбросов парниковых газов. Важно, что экологичность не снижает прочность инновационного материала. Секрет кроется в диатомите — порошке, который получен из окаменевших панцирей диатомей. Этот природный материал имеет огромную площадь поверхности и высокую пористость, что делает его идеальным для улавливания углекислого газа. Обычно увеличение пористости приводит к потере прочности, но в данном случае ситуация обратная: в процессе поглощения CO₂ структура бетона лишь укрепляется.
Команда ученых создала инновационную, пригодную для 3D-печати «цементную пасту». В ее состав вошли портландцемент, мелкий песок, микрокремнезем и суперпластификатор. В результате получилась достаточно текучая для экструзии смесь, которая быстро стабилизировалась и затвердевала. С помощью роботизированной печати из этой массы создавались сложные решетчатые формы — так называемые трижды периодические минимальные поверхности (TPMS), напоминающие структуры костей или морских раковин. Такие структуры не только обеспечивают прочность конструкции, но и создают дополнительные каналы для захвата CO₂. Для усиления эффекта улавливания углекислоты напечатанные элементы дополнительно обработали гидроксидом кальция, который при контакте с углекислым газом превращается в карбонат кальция — минерал, который делает материал еще прочнее.
Результаты испытаний оказались впечатляющими. Новая бетонная структура поглощала до 146% больше CO₂ по сравнению с обычным бетоном, при этом расход цемента сократился на 68%, а площадь готовой поверхности оказалась в пять раз больше площади конструкций из традиционного бетона. При этом прочность на сжатие сохранилась на уровне 90% от привычных нам бетонных конструкций — это более чем достойный показатель, особенно если учесть, что масса стала гораздо меньше. Это значит, что из инновационной массы можно строить прочные и долговечные здания, используя меньше материала и такие здания еще и будут активно поглощать углерод.
Инженеры и архитекторы, принимавшие участие в проекте, подчеркивают, что новая технология не только экологична, но и открывает путь к созданию более легких, эффективных и визуально привлекательных строительных элементов. Уже ведется работа над масштабированием производства, а также исследования по возможному отказу от цемента и использованию в составе массы переработанных отходов. Учитывая масштабы использования бетона в мире, даже незначительное улучшение его состава способно дать мощный положительный эффект для всей планеты.
Ранее ученые разработали уникальную «потеющую» краску, которая сохраняет прохладу.
