تکنولوژی چاپ سه‌بعدی بتن: جذب دی اکسید کربن!

تحولی در چاپ بتن سه‌بعدی با کاهش کربن

دانشمندان دانشگاه فناوری نانیانگ در سنگاپور (NTU Singapore) یک روش جدید برای چاپ بتن سه‌بعدی توسعه داده‌اند که قادر به جذب کربن است 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 است، هدفش کاهش قابل توجه اثر کربنی سیمان است؛ ماده‌ای که مسئول تولید ۱.۶ میلیارد تن دی‌اکسید کربن (CO2) یا حدود هشت درصد از کل انتشار CO2 جهانی می‌باشد. این هدف از طریق کاهش مصرف مواد، زمان ساخت و نیاز به نیروی کار محقق می‌شود.

فرایند جدید چاپ بتن سه‌بعدی شامل تزریق بخار و CO2 است که به عنوان محصولات جانبی فرآیندهای صنعتی به بتن اضافه می‌شود و این گازها به طور مستقیم در ساختار بتن ذخیره می‌شوند. نتایج نشان داده‌اند که روش تزریق CO2 و بخار، خواص مکانیکی بتن را بهبود بخشیده و نسبت به بتن‌های سه‌بعدی چاپ شده به روش‌های سنتی، استحکام بیشتری ارائه می‌دهد.

پروفسور تان مینگ جن، محقق اصلی این مطالعه از دانشکده مهندسی مکانیک و هوافضا (MAE) NTU و مرکز چاپ سه‌بعدی 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 سه‌بعدی ما یک گزینه برای کاهش کربن ارائه می‌دهد که نه تنها خواص مکانیکی بتن را بهبود می‌بخشد، بلکه به کاهش تأثیرات زیست‌محیطی این بخش نیز کمک می‌کند. این روش امکان استفاده از CO2 تولید شده توسط نیروگاه‌ها یا صنایع دیگر را برای چاپ بتن سه‌بعدی نشان می‌دهد. از آنجا که سیمان سنتی مقدار زیادی کربن تولید می‌کند، روش ما راهی برای بازگرداندن CO2 از طریق چاپ بتن سه‌بعدی ارائه می‌دهد.”

تیم تحقیقاتی معتقد است که نوآوری آن‌ها می‌تواند به عنوان یک سهم امیدوارکننده در دستیابی به اهداف توسعه پایدار جهانی و کاهش وابستگی صنعت به فرآیندهای انرژی‌بر سنتی مانند ساخت و ساز بتن مسلح عمل کند.

تحول جدید در چاپ سه‌بعدی بتن

این توسعه جدید بر اساس تحقیقات قبلی در زمینه چاپ سه‌بعدی برای ساخت و ساز، توسط پروفسور تان و تیم او در مرکز SC3DP دانشگاه NTU و همچنین همکاران بین‌المللی صورت گرفته است. این سیستم چاپ بتن سه‌بعدی بهبود یافته، قابلیت چاپ بهتر، استحکام بیشتر و جذب کربن بیشتر را ارائه می‌دهد.

سیستم چاپ بتن سه‌بعدی

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

نتایج آزمایشات

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

نظرات محققان

لیم شان گیپ، نویسنده اول و دانشجوی دکتری 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 تای، نویسنده همکار و پژوهشگر از دانشکده MAE دانشگاه NTU، گفت: «سیستم پیشنهادی ما نشان می‌دهد که چگونه جذب کربن دی‌اکسید و استفاده از آن در چاپ بتن سه‌بعدی می‌تواند به ساختمان‌های قوی‌تر و دوستدار محیط زیست منجر شود و فناوری ساخت و ساز را پیش ببرد.»

ثبت اختراع و تحقیقات آینده

یک درخواست ثبت اختراع در ایالات متحده برای این نوآوری به‌طور مشترک توسط دانشگاه NTU و همکاران آن 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.