För första gången har ett hydrogelmaterial bestående av nanocellulosa och alger testats som ett grönare alternativ för arkitektoniska tillämpningar. En studie från Chalmers Tekniska Högskola i Sverige och Wallenberg Wood Science Center visar hur detta hållbara och rikligt tillgängliga material kan 3D-printas till en mängd arkitektoniska komponenter, med betydligt lägre energianvändning än traditionella byggmetoder.
Byggbranschen står idag för 50 procent av världens fossila resursförbrukning, 40 procent av det globala avfallet och 39 procent av världens koldioxidutsläpp. Forskning inom biomaterial och dess tillämpningar växer i syfte att övergå till en grönare framtid i linje med bland annat Europeiska gröna given.
Nanocellulosa är inget nytt biomaterial, men dess egenskaper som hydrogel är kända inom biomedicinen, där det kan 3D-printas till stödstrukturer för vävnads- och celltillväxt på grund av dess biokompatibilitet och fuktighet. Att torka och använda det som ett arkitektoniskt material är dock nytt.
Arkitektonisk tillämpning
- Vi har för första gången utforskat nanocellulosas hydrogel för arkitektoniska tillämpningar. Vi har tillhandahållit den hittills saknade kunskapen om dess designrelaterade egenskaper och visat, med hjälp av våra prover och prototyper, att dessa egenskaper kan anpassas genom anpassad digital design och robotbaserad 3D-printing, säger Malgorzata Zboinska, studiens huvudförfattare från Chalmers Tekniska Högskola.
Cellulosa utnämns som det mest rikliga, miljövänliga alternativet till plast, som en biprodukt från världens största industrier.
- Den nanocellulosa som används i denna studie kan erhållas från skogsbruk, jordbruk, pappersbruk och halmrester från jordbruket. Det är ett mycket rikligt material i den bemärkelsen, säger Malgorzata Zboinska.
3D-printing och nanocellulosa - En resurseffektiv teknik
Arkitekturindustrin har idag tillgång till digitala teknologier som möjliggör användning av nya tekniker, men det finns en kunskapslucka i hur dessa tekniker kan tillämpas. Enligt Europeiska gröna given måste byggnader i Europa vara mer resurseffektiva från och med 2030, vilket kan uppnås genom ökad återanvändning och återvinning av material, såsom med nanocellulosa, en uppgraderad biprodukt från industrin. Samtidigt som byggnader ska bli mer cirkulära betonas avancerade digitala tekniker som viktiga hävstänger för att uppnå dessa mål.
- 3D-printing är en mycket resurseffektiv teknik. Det gör att vi kan tillverka produkter utan andra saker som dör och gjutformar, så det finns mindre spillmaterial. Det är också mycket energieffektivt. Det robotbaserade 3D-printsystemet vi använder använder inte värme, bara lufttryck. Detta sparar mycket energi eftersom vi bara arbetar i rumstemperatur, säger Malgorzata Zboinska.
Behåller sin form
Den energieffektiva processen bygger på de skjuvförtunnande egenskaperna hos nanocellulosahydrogelen. När tryck appliceras blir den flytande vilket gör det möjligt att 3D-printa den, men när trycket tas bort behåller den sin form. Detta gör att forskarna kan arbeta utan de energikrävande processerna som är vanliga inom byggbranschen.
Malgorzata Zboinska och hennes team designade många olika verktygsbanor att använda i den robotbaserade 3D-printprocessen för att se hur nanocellulosahydrogelen skulle bete sig när den torkade i olika former och mönster. Dessa torkade former kunde sedan användas som grund för att designa en mängd fristående arkitektoniska komponenter, såsom lätta rumsavdelare, persienner och väggpanelssystem. De kunde också ligga till grund för beläggningar av befintliga byggnadskomponenter, såsom plattor för att klä väggar, akustiska element för att dämpa ljud och kombineras med andra material för att klä skelettväggar.
Framtiden för grönare byggmaterial
- Traditionella byggmaterial är designade för att hålla i hundratals år. Vanligtvis har de förutsägbara beteenden och homogena egenskaper. Vi har betong, glas och alla typer av hårda material som håller och vi vet hur de kommer att åldras över tid. I motsats till detta innehåller biobaserade material organiskt material som från början är designat att biologiskt brytas ned och återgå till naturen. Vi måste därför skaffa helt ny kunskap om hur vi kan tillämpa dem i arkitektur och hur vi kan omfamna deras kortare livscykel och heterogena beteendemönster, mer liknande dem som finns i naturen än i en artificiell och fullständigt kontrollerad miljö. Designforskare och arkitekter söker nu intensivt efter sätt att designa produkter gjorda av dessa material, både för funktion och estetik, säger Malgorzata Zboinska.
Denna studie visar de första stegen för att demonstrera uppskalningspotentialen för lufttorkade, 3D-printade nanocellulosamembrankonstruktioner, samt en ny förståelse för sambandet mellan designen av materialets avsättningsvägar via 3D-printing och de dimensionella, texturala och geometriska effekterna i de slutliga konstruktionerna. Denna kunskap är en nödvändig byggsten som kommer att möjliggöra för Malgorzata Zboinska och hennes team att utveckla, genom ytterligare forskning, tillämpningar av nanocellulosa i arkitektoniska produkter som måste uppfylla specifika funktionella och estetiska användarkrav.
- De ännu inte fullständigt kända egenskaperna hos nya biobaserade material uppmanar arkitektoniska forskare att etablera alternativa metoder för att designa dessa nya produkter, inte bara vad gäller funktionella kvaliteter, men också användarnas acceptans. Estetiken hos biobaserade material är en viktig del av detta. Om vi ska föreslå dessa biobaserade material för samhället och människor, behöver vi arbeta med designen också. Detta blir ett mycket starkt element för acceptansen av dessa material. Om människor inte accepterar dem, kommer vi inte att nå målen för en cirkulär ekonomi och hållbar byggd miljö.
Mer om forskningen:
Forskningen presenteras i en artikel: "Robotically 3D printed architectural membranes from ambient dried cellulose nanofibril-alginate hydrogel", publicerad i tidskriften Materials and Design.
Forskarna som deltog i studien är Malgorzata A. Zboinska, Sanna Sämfors och Paul Gatenholm. Forskarna var verksamma vid Chalmers Tekniska Högskola och Wallenberg Wood Science Center, båda i Sverige, vid tiden för studien.
Arbetet stöddes av Adlerbertska forskningsstiftelsen och Chalmers Tekniska Högskolas område för avancerad materialvetenskap. Knut och Alice Wallenbergs stiftelse erkänns tacksamt för finansiering av Wallenberg Wood Science Center. Författarna vill också erkänna bidraget från Karl Åhlund, som assisterade i utvecklingen av det robotiska extrusionssystemet.
Faktaruta - tidigare forskning:
Att printa med nanocellulosa utvecklades först vid Chalmers Tekniska Högskola inom Wallenberg Wood Science Center 2015. Detta är första gången denna teknik skalas upp mot tillämpningar i byggnader.
Chalmers Tekniska Högskola i Göteborg, Sverige, bedriver forskning och utbildning inom teknik och naturvetenskap på en hög internationell nivå. Universitetet har 3100 anställda och 10 000 studenter och erbjuder utbildning inom ingenjörsvetenskap, naturvetenskap och arkitektur.
Källor: Chalmers Tekniska Högskola och Wallenberg Wood Science Center,