Co by było, gdyby materiały budowlane można było składać i rozkładać tak łatwo jak klocki LEGO? Takie rekonfigurowalne mury byłyby rozbierane pod koniec okresu użytkowania budynku i składane ponownie w nową konstrukcję, w zrównoważonym cyklu, który mógłby dostarczać generacjom budynków przy użyciu tych samych fizycznych bloków konstrukcyjnych.
Taka jest idea stojąca za budownictwem o obiegu zamkniętym, którego celem jest ponowne wykorzystanie i modyfikacja materiałów budowlanych, kiedy tylko jest to możliwe, aby zminimalizować produkcję nowych materiałów i zmniejszyć „ukryty dwutlenek węgla” w branży budowlanej, czyli emisję gazów cieplarnianych związaną z każdym procesem powstawania budynku – od produkcji po rozbiórkę.
Teraz inżynierowie MIT, zmotywowani ekologicznym potencjałem budownictwa cyrkularnego, opracowują nowy rodzaj rekonfigurowalnego muru wykonanego z wydrukowanego w technologii 3D, poddanego recyklingowi szkła. Korzystając z niestandardowej technologii drukowania szkła 3D dostarczonej przez spółkę wydzieloną MIT Evenline, zespół stworzył mocne, wielowarstwowe szklane cegły, każda w kształcie ósemki, które są zaprojektowane tak, aby się ze sobą zazębiały, podobnie jak klocki LEGO.
W testach mechanicznych pojedyncza szklana cegła wytrzymywała naciski podobne do nacisków bloczków betonowych. Jako demonstrację strukturalną badacze skonstruowali ścianę z blokujących się szklanych cegieł. Wyobrażają sobie, że szklany mur drukowany w technologii 3D może być wielokrotnie ponownie wykorzystywany jako cegły nadające się do recyklingu do budowy fasad i ścian wewnętrznych.
„Szkło jest materiałem w wysokim stopniu nadającym się do recyklingu” — mówi Kaitlyn Becker, adiunkt inżynierii mechanicznej na MIT. „Bierzemy szkło i zamieniamy je w mur, który pod koniec życia konstrukcji można rozmontować i ponownie złożyć w nową konstrukcję lub włożyć z powrotem do drukarki i nadać mu zupełnie inny kształt. Wszystko to składa się na naszą ideę zrównoważonego, cyrkularnego materiału budowlanego”.
„Szkło jako materiał konstrukcyjny trochę rozwala ludziom mózgi” — mówi Michael Stern, były student studiów podyplomowych MIT i badacz w Media Lab i Lincoln Laboratory w MIT, który jest również założycielem i dyrektorem Evenline. „Pokazujemy, że jest to okazja do przesunięcia granic tego, co zostało zrobione w architekturze”.
Becker i Stern wraz ze swoimi współpracownikami szczegółowo opisują swój projekt z wykorzystaniem szklanych cegieł w badaniu opublikowanym w czasopiśmie Konstrukcje szklane i inżynieriaWspółautorami z MIT są główny autor Daniel Massimino i Charlotte Folinus, a także Ethan Townsend z Evenline.
Zablokuj krok
Inspiracją dla nowego projektu okrągłego muru było częściowo laboratorium szkła MIT, gdzie Becker i Stern, będący wówczas studentami studiów licencjackich, po raz pierwszy poznawali sztukę i naukę dmuchania szkła.
„Uznałem ten materiał za fascynujący” — mówi Stern, który później zaprojektował drukarkę 3D zdolną do drukowania stopionego szkła pochodzącego z recyklingu — projekt, który podjął podczas studiów na wydziale inżynierii mechanicznej. „Zacząłem myśleć o tym, jak drukowanie szkła może znaleźć swoje miejsce i robić ciekawe rzeczy, a jedną z możliwych dróg jest budownictwo”.
W międzyczasie Becker, który przyjął stanowisko wykładowcy na MIT, zaczął badać powiązania między produkcją i projektowaniem oraz sposoby opracowywania nowych procesów umożliwiających innowacyjne projekty.
„Cieszę się na rozszerzanie przestrzeni projektowych i produkcyjnych dla wymagających materiałów o interesujących cechach, takich jak szkło i jego właściwości optyczne oraz możliwość recyklingu” — mówi Becker. „Dopóki nie jest zanieczyszczone, można poddawać recyklingowi szkło niemal w nieskończoność”.
Ona i Stern połączyli siły, aby sprawdzić, czy i w jaki sposób szkło nadające się do druku w technologii 3D może zostać przekształcone w konstrukcyjną jednostkę murową tak wytrzymałą i układalną jak tradycyjne cegły. W swoim nowym badaniu zespół wykorzystał Glass 3D Printer 3 (G3DP3), najnowszą wersję drukarki do szkła firmy Evenline, która łączy się z piecem, aby stopić pokruszone szklane butelki do postaci płynnej, nadającej się do druku, którą drukarka następnie osadza w warstwowych wzorach.
Zespół wydrukował prototypowe szklane cegły przy użyciu szkła sodowo-wapniowego, które jest zwykle używane w pracowniach szklarskich. Do każdej drukowanej cegły dołączyli dwa okrągłe kołki, podobne do kołków w klockach LEGO. Podobnie jak klocki, kołki umożliwiają blokowanie i łączenie klocków w większe struktury. Inny materiał umieszczony między cegłami zapobiega zarysowaniom lub pęknięciom między szklanymi powierzchniami, ale można go usunąć, jeśli konstrukcja z cegieł miałaby zostać zdemontowana i poddana recyklingowi, co pozwala również na ponowne przetopienie cegieł w drukarce i uformowanie ich w nowe kształty. Zespół postanowił nadać blokom kształt ósemki.
„Dzięki kształtowi ósemkowemu możemy ograniczyć cegły, a jednocześnie montować je w ściany o pewnych krzywiznach” — mówi Massimino.
Kamienie milowe
Zespół wydrukował szklane cegły i przetestował ich wytrzymałość mechaniczną w przemysłowej prasie hydraulicznej, która ściskała cegły, aż zaczęły pękać. Naukowcy odkryli, że najmocniejsze cegły były w stanie wytrzymać ciśnienia porównywalne z tymi, jakie wytrzymują bloczki betonowe. Te najmocniejsze cegły zostały wykonane głównie z drukowanego szkła, z oddzielnie wyprodukowanym elementem blokującym, który był przymocowany do spodu cegły. Wyniki te sugerują, że większość cegły murowanej można było wykonać z drukowanego szkła, z elementem blokującym, który można było wydrukować, odlać lub oddzielnie wyprodukować z innego materiału.
„Szkło to skomplikowany materiał do pracy” – mówi Becker. „Na tym etapie najbardziej obiecujące były elementy łączące, wykonane z innego materiału”.
Grupa bada, czy większa część funkcji blokowania cegieł mogłaby zostać wykonana z drukowanego szkła, ale nie uważa tego za przeszkodę w dalszym rozwijaniu projektu. Aby zademonstrować potencjał murowania ze szkła, zbudowali zakrzywioną ścianę z blokowanych szklanych cegieł. Następnie zamierzają budować stopniowo większe, samonośne szklane konstrukcje.
„Mamy lepsze zrozumienie ograniczeń materiału i sposobu skalowania” — mówi Stern. „Myślimy o kamieniach milowych do budynków i chcemy zacząć od czegoś w rodzaju pawilonu — tymczasowej konstrukcji, z którą ludzie mogą wchodzić w interakcje, a którą można następnie przekształcić w drugi projekt. I można sobie wyobrazić, że te bloki mogą przejść przez wiele żyć”.
Badania te były częściowo dofinansowywane przez Bose Research Grant Program i Komitet Wsparcia Badań MIT.
