Будучи краеугольным камнем современной цивилизации, бетон, к сожалению, вносит существенный вклад в изменение климата, отвечая за 9% глобальных выбросов парниковых газов. Ключевым источником загрязнения является цемент, процесс создания которого сопровождается значительным выделением углекислого газа.
Ученые из Университета Пенсильвании предложили инновационную формулу бетона, в которой используется уникальный ингредиент, полученный из оболочек микроскопических водорослей. Этот усовершенствованный бетон демонстрирует способность к поглощению углекислого газа на 142% выше, чем у обычных бетонных смесей, сохраняя при этом свою прочность и легкость.
Новаторский подход объединяет аддитивные технологии, экологически чистые компоненты и биомиметический дизайн. Вместо традиционных заполнителей в композит добавлен диатомит – пористый материал, образованный из окаменелых остатков микроскопических водорослей. Его структура способствует активному улавливанию CO₂ из атмосферы.
Ключевой элемент – форма, вдохновленная трижды периодическими минимальными поверхностями (TPMS), встречающимися в естественных структурах, таких как кораллы и кости. Эти плавные и непрерывные формы максимизируют площадь поверхности и обеспечивают высокую прочность при минимальном объеме материала. Используя метод полиэдральной статики, ученые оптимизировали распределение сил в этих формах и создали аналогичные структуры, устойчивые к сжатию даже при наличии выступов и пустот.
Для дополнительной устойчивости конструкции усилены натяжными элементами, которые сохраняют прочность без увеличения веса. После цифрового моделирования бетон был напечатан послойно с использованием специально разработанного состава для 3D-печати. Полученный материал, несмотря на пористость, сохраняет 90% прочности традиционного бетона, при этом требуя на 68% меньше материала и обеспечивая на 32% больше поглощения CO₂ на единицу используемого цемента.
Данная технология масштабируется для применения в архитектуре, включая создание фасадных панелей, стен и морских сооружений. Благодаря пористости и устойчивости к воде, новый бетон может быть использован для восстановления коралловых рифов и создания искусственных экосистем, открывая возможности не только для строительства, но и для восстановления окружающей среды.
Дальнейшие исследования направлены на замену цемента альтернативными вяжущими веществами, такими как магниевые и щелочноактивированные составы, что позволит еще больше снизить углеродный след и повысить экологичность материала.