این پل پرینت سهبعدی و جاذب کربن، الهام گرفته شده از استخوانها استبتن، ارزان، چندمنظوره، فوقالعاده قوی و در دسترس محلی، پرکاربردترین ماده ساخت بشر در جهان است.اما اثر بزرگ کربن دارد، و حدود ۸٪ از انتشار گازهای گلخانهای جهانی را تشکیل میدهد.بخش بتن و سیمان سالهاست که سعی در کاهش تاثیر زیستمحیطی خود با مخلوطهای بتنی پایدار یا طراحیهای کارآمد دارد.اکنون، تیم تحقیقاتی دانشگاه پنسیلوانیا ترکیبی از مواد نوین و طراحی صرفهجویی در مواد را، بدون کاهش در مقاومت و دوام، ترکیب کرده است.پروژه، که نام آن دیامانت است، از طبیعت الهام گرفته و از چاپگر سهبعدی رباتیک برای ایجاد الگوهای پیچیده و شبکهای با مخلوط بتنی پایدار استفاده میکند.
در حالی که اکثر بتنهای معمولی دیاکسید کربن (تا ۳۰٪ از انتشارهای تولید آن در طول عمر کامل، بر اساس برخی تحقیقات) را جذب میکنند، مخلوط بتن تقویتشده دیامانت ۱۴۲٪ بیشتر دیاکسید کربن نسبت به مخلوطهای بتنی معمولی جذب میکند.طراحی اولیه آن، یک پل پیادهروی، ۶۰٪ کمتر از مواد استفاده میکند در حالی که استحکام مکانیکی را حفظ میکند، میگوید مسعود اکبرزاده، استاد مشارکت در معماری دانشگاه پنسیلوانیا و مدیر آزمایشگاه که پروژه را رهبری کرده است.«طی میلیونها سال تکامل، طبیعت آموخته است که نیاز به مواد در همهجا نیست»، میگوید اکبرزاده. «اگر بخش عرضی یک استخوان را ببینید، متوجه میشوید که استخوان نسبتاً متخلخل است، اما الگوهای خاصی درون آن وجود دارد که بار (یا وزن) را منتقل میکند.»با تقلید ساختارهای برخی استخوانهای متخلخل — که به عنوان ساختارهای سطح حداقل سهگانه دورهای (TPMS) شناخته میشوند — دیامانت همچنین سطح تماس پل را افزایش داد، و پتانسیل جذب کربن مخلوط بتن را ۳۰٪ دیگر افزایش داد.
«سطح تماس، همراه با این ویژگی مواد، واکنش با کربن را در سطح میکروسکوپی به حداکثر میرساند»، میگوید اکبرزاده. «این کمک زیادی به کاهش و جذب دیاکسید کربن میکند.»پروژه، که در سال ۲۰۲۲ با همکاری شرکت شیمیایی سیکای سوئیسی و با کمکهای مالی وزارت انرژی آمریکا راهاندازی شد، اکنون در حال آمادهسازی برای ساخت نمونه اولیه کامل در فرانسه است.تغییرات در بتنمقاومت، دوام و ایمنی بتن، مانند مقاومت در برابر آتش، «اساسی است که چرا در مقیاس جهانی استفاده میشود»، میگوید اندرو مینسون، مدیر بخش بتن و ساختوساز پایدار در انجمن جهانی سیمان و بتن.صنعت سیمان تلاشهای قابل توجهی برای بهبود پایداری انجام داده است و میزان انتشار کربن خود را بین ۱۹۹۰ و ۲۰۲۳، ۲۵٪ کاهش داده است. اما بر اساس آژانس بینالمللی انرژی (IEA)، انتشارهای این بخش امروز بیشتر از سال ۲۰۱۵ است به دلیل افزایش تقاضا.
اکثر انتشارها — حدود ۹۰٪ — از سیمان است، میگوید دو هونجیان، استاد مهندسی عمران ارشد در دانشگاه ملی سنگاپور، که در پروژه دیامانت دخیل نیست.سیمان یک عامل اتصال است که هنگام مخلوط شدن با آب سخت میشود و در مواد ساختمانی، از جمله بتن، که مصالحی مانند شن و سنگ را نگه میدارد، استفاده میشود.فرآیند انرژیبر تولید سیمان شامل تجزیه سنگ آهک در دماهای تا ۲۰۰۰ درجه سانتیگراد در یک کوره است، که انتشار کربن تولید میکند. علاوه بر این، سنگ آهک کربنات کلسیم است که در دماهای بالا دیاکسید کربن آزاد میکند، که بخش عمدهای از انتشارات سیمان را تشکیل میدهد، میگوید هونجیان.استفاده از مواد دیگر به جای برخی سیمانها میتواند در کاهش اثر کربن کمک کند، و چندین شرکت و سازمان در حال بررسی مخلوطهای بتنی جذابتر هستند: شرکت ژاپنی CO2-SUICOM ادعا میکند که مخلوط بتن آن کربن منفی است، و شرکت بریتانیایی سراتک یکی از چندین شرکت است که از mineral جذبکننده CO2 به نام اولیوین در سیمان استفاده میکند تا آن را پایدارتر سازد.مخلوط بتن دیامنتای، توسعه یافته توسط دکتر شو یانگ در دپارتمان علم مواد دانشگاه پنسیلوانیا، از خاک دیاتومه (DE)، یک ماده طبیعی متخلخل و غنی از سیلیکا که از جلبکهای فسیلی ساخته شده است، برای جایگزینی بخشی از سیمان استفاده میکند.این بیومینرال «کانالهایی» در بتن ایجاد میکند که اجازه میدهد دیاکسید کربن به زیر سطح نفوذ کند، میگوید هونگجیان. با این حال، تولید جهانی DE در سال ۲۰۲۳، ۲.۶ میلیون تن بود — بنابراین در حالی که هونگجیان معتقد است این ماده پتانسیل دارد، «زنجیره تامین باید برای پذیرش گستردهتر در آینده در نظر گرفته شود» اگر قرار است نیازهای عظیم بتن برآورده شود، میگوید.مینسون موافق است که تامین ممکن است مشکل باشد، اما در مکانهایی که مواد اولیه در دسترس است، میتواند راهحل « niches» ارائه دهد.«هیچ راهحلی سریع و کامل وجود ندارد. ما باید همه اقدامات ممکن را انجام دهیم تا نیازهای مواد را مدیریت کنیم و دیاکسید کربن را کاهش دهیم»، مینسون اضافه میکند.یکی دیگر از جنبههای نوآورانه تحقیقات، افزایش سطح تماس است: بتن دیاکسید کربن را جذب میکند، اما «فقط سطح بتن که در معرض هوا قرار دارد، به این امکان دسترسی به CO2 دارد»، میگوید هونگجیان.رویکرد دوگانه نوآورانه دیامنتای، راهحلهایی را برای بخش ارائه میدهد که میتوانند با هم یا جداگانه استفاده شوند، میگوید هونگجیان، و اضافه میکند: «حتی بدون نوآوری در مواد، سطح بالاتر خود، جذب بالاتر CO2 را ممکن میسازد.»پر کردن فاصله
قبل از استفاده از دیامنتای در دنیای واقعی، تیم باید آن را آزمایش کند، با ساخت نمونه اولیه یک پل.این پل مدولار است و هر بلوک با استفاده از یک بازوی رباتیک چاپ شده و سپس با کابل کششی متصل میشود. بر اساس گفتههای اکبرزاده، چاپ سهبعدی زمان، مواد و مصرف انرژی ساخت را ۲۵٪ کاهش میدهد و سیستم ساختاری آن نیاز به فولاد را تا ۸۰٪ کاهش میدهد، که استفاده از یک ماده دیگر با انتشار بالا را کم میکند. او افزود که استفاده از این تکنیک با بتن دیامنتای، به طور قابل توجهی انتشار گازهای گلخانهای را کاهش میدهد و هزینههای ساخت را بین ۲۵٪ تا ۳۰٪ کاهش میدهد.در ابتدا، تیم نمونهای پنج متری ساخت تا امکانسنجی را نشان دهد، قبل از ساختن نسخه بزرگتر ۱۰ متری با مواد تامین شده توسط گروه سیکا سوئیس برای آزمایش بار، که با موفقیت عبور کرد، میگوید اکبرزاده: «از تمامی انتظارات ما فراتر رفت.» این نمونه در حال حاضر در مرکز فرهنگی اروپا در ونیز برای بیینال معماری ونیز ۲۰۲۵ نمایش داده میشود.اکبرزاده و تیم یافتههای خود را در مجله مواد عملکرد پیشرفته ویلی منتشر کردند و در ابتدا امیدوار بودند که اولین پل کامل مقیاس پروژه را در ونیز بسازند.اما، پس از تغییر قوانین شهر در مورد سازههای بزرگ جدید، تیم شروع به جستوجوی دیگر آبراهههای نمادین در اروپا کرد. اکبرزاده با استودیوی طراحی دیجیتال فورتیس ویژن همکاری کرد تا رندرهای دیجیتال مفهومی ایجاد کند که پل بر روی رودخانه سن در مرکز پاریس را مجسم کند.
این پل پرینت سهبعدی، الهام گرفته شده از استخوانها است
