تکنولوژی نوین چاپ سه‌بعدی بتن جاذب دی‌اکسیدکربن

روش نوین چاپ بتن ۳D با جذب کربن در دانشگاه نانیانگ سنگاپور

دانشمندان دانشگاه نانیانگ سنگاپور (NTU Singapore) یک روش جدید چاپ بتن ۳D توسعه داده‌اند که کربن را جذب می‌کند و راهی نوین برای کاهش تأثیرات زیست‌محیطی صنعت ساخت و ساز ارائه می‌دهد. این روش نوآورانه که در نشریه علمی Carbon Capture Science & Technology منتشر شده، هدفش کاهش قابل توجه ردپای کربن سیمان است؛ ماده‌ای که مسئول تولید ۱.۶ میلیارد تن دی‌اکسید کربن (CO2) یا حدود هشت درصد از کل انتشار CO2 جهانی است. این کاهش از طریق کاهش مصرف مواد، زمان ساخت و نیاز به نیروی کار حاصل می‌شود.

فرایند جدید چاپ بتن ۳D شامل تزریق بخار و CO2 است که به عنوان محصولات جانبی فرآیندهای صنعتی جمع‌آوری شده و به بتن مخلوط می‌شوند. این روش به طور مستقیم CO2 را در ساختار بتن ذخیره می‌کند. نتایج نشان داده‌اند که روش تزریق CO2 و بخار، ویژگی‌های مکانیکی بتن را بهبود بخشیده و نسبت به بتن‌های چاپ شده سنتی، استحکام بیشتری ارائه می‌دهد.

پروفسور تان مینگ جن، محقق اصلی این مطالعه از دانشکده مهندسی مکانیک و هوافضا (MAE) دانشگاه NTU و مرکز چاپ ۳D سنگاپور (SC3DP) گفت: “بخش ساختمان و ساخت و ساز سهم قابل توجهی از انتشار گازهای گلخانه‌ای جهانی را به خود اختصاص می‌دهد. سیستم جدید چاپ بتن ۳D ما یک گزینه کاهش کربن ارائه می‌دهد که نه تنها ویژگی‌های مکانیکی بتن را بهبود می‌بخشد، بلکه به کاهش تأثیرات زیست‌محیطی این بخش نیز کمک می‌کند. این روش نشان‌دهنده امکان استفاده از CO2 تولید شده توسط نیروگاه‌ها یا صنایع دیگر برای چاپ بتن ۳D است. از آنجا که سیمان سنتی مقدار زیادی کربن تولید می‌کند، روش ما راهی برای بازگرداندن CO2 از طریق چاپ بتن ۳D ارائه می‌دهد.”

تیم تحقیقاتی معتقد است که نوآوری آن‌ها نمایانگر یک گام امیدوارکننده به سوی دستیابی به اهداف توسعه پایدار جهانی و کاهش وابستگی صنعت به فرآیندهای انرژی‌بر سنتی مانند ساخت و ساز بتن مسلح است.

تحول جدید در چاپ سه‌بعدی بتن

تحقیق جدیدی بر اساس مطالعات قبلی در زمینه چاپ سه‌بعدی برای ساخت و ساز توسط پروفسور تان و تیمش در مرکز SC3DP دانشگاه NTU و همچنین همکاران بین‌المللی آن‌ها انجام شده است.

بهبود قابلیت چاپ و افزایش مقاومت

برای توسعه سیستم چاپ بتن سه‌بعدی، تیم تحقیقاتی چاپگر سه‌بعدی را به پمپ‌های CO2 و جت بخاری متصل کردند. زمانی که این سیستم فعال می‌شود، CO2 و بخار به مخلوط بتن پمپ می‌شوند در حالی که ساختار در حال چاپ است. CO2 با اجزای بتن واکنش نشان می‌دهد و به شکل جامدی تبدیل می‌شود که درون ماده قفل می‌شود. در عین حال، بخار موجب بهبود جذب CO2 در ساختار چاپ شده سه‌بعدی می‌شود و ویژگی‌های آن را افزایش می‌دهد.

نتایج آزمایشگاهی و مزایای زیست‌محیطی

در آزمایش‌های آزمایشگاهی، محققان دریافتند که ساختار بتن چاپ شده ۵۰ درصد بهبود در قابلیت چاپ نشان می‌دهد، به این معنی که می‌توان آن را به شکل بهتری طراحی و چاپ کرد. همچنین، این ساختار از نظر مقاوم و دوام نیز بهتر عمل کرد. بتن چاپ شده تا ۳۶.۸ درصد در برابر فشار (میزان وزنی که می‌تواند تحمل کند) و تا ۴۵.۳ درصد در برابر خمیدگی (میزان انعطاف‌پذیری قبل از شکستن) نسبت به بتن سه‌بعدی معمولی قوی‌تر بود. به‌ویژه، این روش همچنین سبزتر است و ۳۸ درصد بیشتر از روش‌های سنتی چاپ سه‌بعدی دی‌اکسید کربن جذب و محبوس می‌کند.

نظرات محققان

لیم شان گیپ، نویسنده اول و دانشجوی دکترا از دانشکده MAE دانشگاه NTU، گفت: «ما در زمان حساسی هستیم که جهان در حال تسریع تلاش‌ها برای دستیابی به اهداف تغییرات اقلیمی است. ما معتقدیم که فناوری ما می‌تواند به پایدارتر شدن صنعت ساخت و ساز کمک کند.»

دکتر دانیل تی، نویسنده همکار و پژوهشگر از دانشکده MAE دانشگاه NTU، افزود: «سیستم پیشنهادی ما نشان می‌دهد که چگونه جذب دی‌اکسید کربن و استفاده از آن در چاپ بتن سه‌بعدی می‌تواند منجر به ساختمان‌های قوی‌تر و سازگارتر با محیط زیست شود و فناوری ساخت و ساز را پیشرفت دهد.»

ثبت اختراع و آینده تحقیق

یک درخواست ثبت اختراع در ایالات متحده برای این نوآوری به‌طور مشترک توسط دانشگاه NTU و همکاران آن‌ها ثبت شده است. در تحقیقات آینده، محققان قصد دارند فرآیند چاپ سه‌بعدی را بهینه‌سازی کنند تا آن را حتی کارآمدتر کرده و احتمالاً از گازهای زائد به جای دی‌اکسید کربن خالص استفاده کنند.