Naukowcy z Uniwersytetu Pensylwanii opracowali przełomowy beton drukowany w 3D, który nie tylko zwiększa wytrzymałość konstrukcyjną, ale także znacząco pochłania dwutlenek węgla (CO₂). Ten innowacyjny materiał, wykorzystujący ziemię okrzemkową (DE) i struktury TPMS (triply periodic minimal surfaces), stanowi obiecującą alternatywę dla tradycyjnych mieszanek betonowych, przyczyniając się do zrównoważonego budownictwa.
Beton, będący drugim najczęściej używanym materiałem na świecie zaraz po wodzie, jest fundamentem współczesnej infrastruktury. Niestety, jego produkcja, a zwłaszcza produkcja cementu, odpowiada za około 8% globalnych emisji dwutlenku węgla. W odpowiedzi na te wyzwania, zespół z Penn University skupił się na stworzeniu materiału, który aktywnie przeciwdziała zmianom klimatycznym. Kluczowym składnikiem tej rewolucyjnej mieszanki jest ziemia okrzemkowa, naturalny materiał pochodzący ze skamieniałych szczątków mikroskopijnych alg. Jej porowata struktura działa jak gąbka, efektywnie zatrzymując cząsteczki CO₂ i poprawiając stabilność betonu podczas procesu drukowania 3D. Co więcej, ziemia okrzemkowa wspomaga tworzenie węglanu wapnia podczas utwardzania, co zwiększa wytrzymałość materiału. W przeciwieństwie do tradycyjnych podejść, gdzie zwiększona porowatość często prowadzi do osłabienia, w tym przypadku zaobserwowano odwrotny efekt – struktura stawała się silniejsza w miarę upływu czasu.
Dodatkowym elementem innowacji są struktury TPMS, inspirowane naturalnymi formami, takimi jak koralowce czy kości. Te złożone, matematycznie zoptymalizowane geometrie maksymalizują powierzchnię wewnętrzną i sztywność przy jednoczesnej minimalizacji zużycia materiału. Dzięki zastosowaniu TPMS, elementy drukowane w 3D zużyły o 68% mniej materiału w porównaniu do tradycyjnych bloków betonowych, jednocześnie zwiększając stosunek powierzchni do objętości o ponad 500%. Co istotne, struktura TPMS zachowała 90% wytrzymałości na ściskanie w porównaniu do litej wersji, a pochłanianie CO₂ na jednostkę cementu wzrosło o 32%. Badania wykazały, że beton z ziemią okrzemkową i strukturami TPMS pochłania nawet o 142% więcej CO₂, niż standardowe mieszanki, przy jednoczesnym zmniejszeniu zawartości cementu.
Zespół badawczy pracuje obecnie nad skalowaniem tej technologii do produkcji pełnowymiarowych elementów konstrukcyjnych, takich jak stropy, fasady czy panele nośne. Rozważane są również zastosowania w infrastrukturze morskiej, na przykład w tworzeniu sztucznych raf koralowych, gdzie porowatość i ekologiczna kompatybilność materiału sprzyjają przyczepianiu się organizmów morskich i pasywnemu pochłanianiu CO₂ z wody. Ta innowacja z Uniwersytetu Pensylwanii stanowi znaczący krok w kierunku tworzenia materiałów budowlanych, które są nie tylko przyjazne dla środowiska, ale także aktywnie przyczyniają się do łagodzenia skutków zmian klimatycznych, otwierając nowy rozdział w zrównoważonym budownictwie.