В Лаборатории полидедральных структур Пенсильванского университета архитекторы и инженеры работают над тем, чтобы одно из самых загрязняющих строительных веществ — бетон — стало частью климатического решения. На бетон приходится около 8% мировых выбросов CO₂, а спрос на него только растёт. Учёные уверены: если хотя бы часть этого материала научится накапливать углекислый газ, а не выбрасывать его, это радикально изменит воздействие строительства на планету.
Как работает технология
Проект Diamanti, созданный под руководством профессора Масуда Акбарзаде, представляет собой 3D-печатную конструкционную систему, которая сочетает геометрию, робототехнику и материалы нового поколения. Команда использует цифровые алгоритмы и роботизированную печать, чтобы создавать модульные элементы сложной формы, не требующие традиционных опалубок.
Каждый элемент спроектирован так, чтобы выдерживать нагрузки при минимальном расходе материала. Его изогнутые полые поверхности не только повышают прочность, но и увеличивают площадь соприкосновения с воздухом. Благодаря этому бетон способен поглощать CO₂, превращаясь в углеродный поглотитель.
Новый состав цемента
Основная причина углеродных выбросов в бетоне — цемент. Его производство требует нагрева известняка до 2000 °C, что сопровождается выделением огромного количества углекислого газа.
Чтобы снизить воздействие, в Diamanti часть цемента заменили кизельгуром — минералом, богатым кремнезёмом, образовавшимся из окаменелых водорослей.
Исследования под руководством материаловеда Шу Ян показали, что такая добавка повышает пористость бетона и позволяет CO₂ глубже проникать в структуру материала, вступая в химическую реакцию с кальциевыми соединениями. Испытания показали, что новая смесь способна поглощать более чем на 140% больше углекислого газа, чем обычный бетон при тех же условиях.
Геометрия, вдохновлённая природой
Создатели Diamanti черпали вдохновение из строения костей и других природных структур. Они применили принцип так называемых triply periodic minimal surfaces — пространственных поверхностей с минимальной площадью, которые эффективно распределяют нагрузку при малом весе.
Роботизированная 3D-печать позволяет реализовать эти сложные объекты без использования форм, что делает конструкции на 60% легче и экономичнее, чем традиционные.
Первым крупным проектом Diamanti стал опытный мост длиной 2,5 метра, представленный на выставке Time, Space, Existence в Венеции. Он состоит из девяти модулей, напечатанных роботизированной рукой. Элементы соединяются без клея и раствора, при помощи восьми стальных тросов, что позволяет демонтировать и использовать мост повторно.
Дальнейшие испытания во Франции показали впечатляющие результаты: пяти- и десятиметровые модели успешно прошли нагрузочные тесты в институте CERIB. При этом конструкции использовали меньше стали — ещё одного крупного источника выбросов.
Научная основа проекта — метод полидедральной графической статики, который оптимизирует распределение усилий сжатия и растяжения в структуре.
Перспективы и значение для отрасли
После успеха в Венеции команда начала планировать строительство первого полноразмерного моста во Франции, рассматривая площадки в Париже. Результаты исследования опубликованы в журнале Advanced Functional Materials — это одно из наиболее детально задокументированных исследований в области «углеродопоглощающего» бетона.
Сейчас команда расширяет применение технологии, адаптируя её для модульных полов и фасадных панелей. Препятствием остаётся ограниченные мировые запасы кизельгура, однако регионы, где он встречается естественно, могут стать центрами «зелёного бетона».
Эксперты отмечают, что Diamanti не заменит полностью традиционное строительство, но способен существенно снизить выбросы в отрасли, которая потребляет больше бетона, чем любой другой материал на планете. Как говорит профессор Акбарзаде, «природа добивается прочности через эффективность, а не чрезмерность» — и Diamanti воплощает этот принцип в архитектуре будущего.
