چاپ سه‌بعدی بتن با جذب کربن: انقلاب سبز در ساخت‌وساز شروع شد!

دگرگونی در چاپ سه‌بعدی بتن: گامی به سوی کاهش کربن

دانشمندان دانشگاه فناوری نانیانگ سنگاپور (NTU Singapore) روشی نوین در چاپ سه بعدی بتن ابداع کرده‌اند که قابلیت جذب کربن دارد و افقی تازه را برای کاهش اثرات مخرب زیست محیطی صنعت ساختمان‌سازی می‌گشاید. این شیوه نوآورانه که در مجله علمی Carbon Capture Science & Technology به چاپ رسیده است، هدفش کاهش چشمگیر ردپای کربنی سیمان است. سیمان ماده‌ای است که حدود ۱.۶ میلیارد تُن دی‌اکسید کربن (CO2) تولید می‌کند، یعنی تقریباً ۸ درصد از کل انتشار جهانی CO2. این هدف از طریق کاهش مصرف مواد اولیه، کوتاه‌تر شدن زمان ساخت و کم شدن نیاز به نیروی کار محقق می‌شود.

فرآیند جدید چاپ بتن سه‌بعدی، تزریق بخار و CO2 را شامل می‌شود که به عنوان محصولات جانبی فرآیندهای صنعتی، به بتن اضافه می‌شوند و این گازها مستقیماً در ساختار بتن ذخیره می‌گردند. نتایج نشان داده‌اند که روش تزریق CO2 و بخار، کیفیت مکانیکی بتن را ارتقا بخشیده و در مقایسه با بتن‌های سه‌بعدی چاپ شده به روش‌های رایج، مقاومت بیشتری را ارائه می‌دهد.

پروفسور تان مینگ جن، محقق ارشد این پژوهش از دانشکده مهندسی مکانیک و هوافضای (MAE) NTU و مرکز چاپ سه‌بعدی سنگاپور (SC3DP) اظهار داشت: “بخش ساختمان و سازه‌های عمرانی، سهم بسزایی در انتشار گازهای گلخانه‌ای در جهان دارد. سیستم نوین چاپ بتن سه‌بعدی ما، یک گزینه برای کاهش کربن به‌شمار می‌رود که نه تنها خواص مکانیکی بتن را بهبود می‌بخشد، بلکه به کاهش اثرات مخرب زیست‌محیطی این بخش نیز یاری می‌رساند. این روش، امکان استفاده از CO2 تولید شده توسط نیروگاه‌ها یا دیگر صنایع را برای چاپ بتن سه‌بعدی فراهم می‌کند. از آنجا که سیمان معمولی مقدار زیادی کربن آزاد می‌کند، روش ما مسیری برای بازگرداندن CO2 از طریق چاپ سه‌بعدی بتن پیش روی ما می‌گذارد.”

تیم تحقیقاتی باور دارد که این نوآوری می‌تواند سهمی امیدبخش در دست‌یابی به اهداف توسعه پایدار جهانی و کاهش وابستگی صنعت به فرآیندهای سنتی پر مصرف انرژی، مثل ساخت و ساز بتن مسلح، ایفا کند.

یک انقلاب دیگر در چاپ سه‌بعدی بتن

این پیشرفت تازه، بر مبنای پژوهش‌های گذشته در زمینه چاپ سه‌بعدی برای ساخت و ساز، توسط پروفسور تان و گروهش در مرکز SC3DP دانشگاه NTU و همچنین همکاران بین‌المللی او صورت گرفته است. این سیستم چاپ بتن سه‌بعدی ارتقا یافته، قابلیت چاپ بهتر، استحکام بیشتر و جذب کربن بیشتری را به همراه دارد.

سامانه چاپ بتن سه‌بعدی

برای توسعه‌ی سیستم چاپ بتن سه‌بعدی، گروه تحقیقاتی، چاپگر سه‌بعدی را به پمپ‌های CO2 و نازل‌های بخار متصل کردند که بخار را اسپری می‌کنند. هنگامی که این سیستم فعال می‌شود، CO2 و بخار به مخلوط بتن پمپاژ می‌شوند در حالی که ساختار در حال چاپ است. CO2 با اجزای بتن واکنش نشان می‌دهد و به فرم جامدی تبدیل می‌شود که درون ماده محبوس می‌شود. در عین این اتفاق، بخار، جذب CO2 را در ساختار چاپ شده سه‌بعدی تقویت می‌کند و کیفیت آن را بالا می‌برد.

نتایج آزمایش‌ها

در آزمایش‌های آزمایشگاهی، محققان دریافتند که ساختار بتن چاپ شده، ۵۰ درصد قابلیت چاپ بهتری دارد، به این معنی که می‌توان آن را با دقت بیشتری طراحی و چاپ کرد. همچنین، این ساختار، مقاومت و پایداری بهتری را نشان داد. بتن چاپ شده تا ۳۶.۸ درصد در فشار (وزنی که می‌تواند تحمل کند) و تا ۴۵.۳ درصد در خمش (میزان انعطاف‌پذیری قبل از شکستن) از بتن معمولی چاپ‌شده سه‌بعدی قوی‌تر بود. نکته حائز اهمیت اینکه، این روش همچنین سازگارتر با محیط زیست است و ۳۸ درصد کربن دی‌اکسید بیشتری نسبت به روش‌های سنتی چاپ سه‌بعدی جذب و مهار می‌کند.

دیدگاه محققان

لیم شان گیپ، نویسنده اول و دانشجوی دکتری دانشکده MAE دانشگاه NTU، گفت: “ما در برهه حساسی از زمان قرار داریم که جهان در حال سرعت بخشیدن به تلاش‌های خود برای رسیدن به اهداف تغییرات اقلیمی است. ما مطمئنیم که فناوری ما می‌تواند به پایدارتر شدن صنعت ساختمان‌سازی کمک کند.”

دکتر دانیل تای، نویسنده همکار و محقق از دانشکده MAE دانشگاه NTU، اظهار داشت: “سیستم پیشنهادی ما نشان می‌دهد که چگونه جذب کربن دی‌اکسید و به‌کارگیری آن در چاپ بتن سه‌بعدی می‌تواند به ایجاد سازه‌هایی مقاوم‌تر و دوستدار محیط زیست منجر شود و فناوری ساخت و ساز را به جلو براند.”

ثبت اختراع و تحقیقات آتی

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