Công nghệ sinh học và Công nghệ xanh: Thế giới vật liệu mới cho kiến ​​trúc bền vững

Vật liệu công trình xây dựng chiếm 11% lượng phát thải khí nhà kính. Ngành công nghiệp kiến trúc – kỹ thuật – xây dựng có thể góp phần hạn chế biến đổi khí hậu trong những năm tiếp theo và việc đánh giá lại các vật liệu xây dựng thông thường là một trong những bước quan trọng nhất.

Vật liệu công nghệ sinh học phát triển, tạo ra năng lượng, tự phục hồi, là biên giới tiếp theo trong sinh học và khoa học vật liệu và có khả năng là con đường hướng tới một loại kiến ​​trúc mới. Mặc dù sự đổi mới trong các lĩnh vực này vẫn còn xa để áp dụng trong sản xuất hàng loạt, nhưng những công nghệ này hứa hẹn sẽ thay đổi đáng kể hình ảnh của môi trường được xây dựng.

Vật liệu “sống” trong môi trường xây dựng là một lĩnh vực nghiên cứu đang mở rộng nhanh chóng, phục vụ nhiều mục tiêu, từ giảm khí thải carbon, tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên, phát triển các đặc tính sáng tạo đến tăng cường hấp thụ carbon. Ở giao điểm của thiết kế, khoa học, hóa học và kỹ thuật sinh học về vật liệu, vật liệu xây dựng “sống” (LBM) chứa các vi sinh vật và thể hiện các đặc tính sinh học. Nghiên cứu sau đây cho thấy cách LBM có thể thay đổi vật liệu và kiến ​​trúc hiện tại.

1. Thay thế sản xuất truyền thống bằng tăng trưởng hữu cơ

Tại Đại học Colorado Boulder, phòng thí nghiệm Vật liệu sống đã nghiên cứu một loại vật liệu xây dựng mới không chứa xi măng, không giống như bê tông, có thể tái chế hoàn toàn. Nhóm nghiên cứu đã sử dụng vi khuẩn lam, vi sinh vật màu xanh lục tương tự như tảo sử dụng CO2 và ánh sáng mặt trời để phát triển và sản xuất xi măng sinh học giúp cô lập CO2. Khai thác sự phát triển theo cấp số nhân của vi khuẩn, các nhà nghiên cứu đã phát triển các khối xây dựng, thể hiện một phương pháp sản xuất tiềm năng mới. Chẳng hạn, ứng dụng thực tế của công nghệ này đã được thử nghiệm, vì một số công ty đang thúc đẩy việc áp dụng các vật liệu nâng cao này bằng cách kết hợp xi măng sinh học trong các sản phẩm của họ.

Công trình Hy-Fi

Công nghệ sợi nấm là một lĩnh vực đa dạng khác hướng tới tìm kiếm vật liệu xây dựng có thể trồng được, vì vật liệu dựa trên sợi nấm có đặc tính cách nhiệt tốt, là chất chống cháy và không tạo ra khí thải độc hại. Vào năm 2014, công ty The Living đã tạo ra Hy-Fi, công trình kiến ​​trúc quy mô lớn đầu tiên được làm bằng gạch sợi nấm, có thể phát triển trong 5 ngày. Tại NASA, các vật liệu dựa trên sợi nấm được nghiên cứu như một lựa chọn khả thi cho kiến ​​trúc không gian, với tiềm năng phát triển tại chỗ và có thể tối thiểu hóa khối lượng vật liệu được vận chuyển.

2. Vật liệu tự sửa chữa để tiêu thụ ít tài nguyên hơn

Với việc bê tông tạo ra gần 9% lượng khí thải carbon toàn cầu, nhiều nỗ lực nghiên cứu tập trung vào việc tìm kiếm các giải pháp thay thế cho bê tông truyền thống, xem xét lại quy trình sản xuất hoặc tìm giải pháp để giảm nhu cầu. Tại Học viện Bách khoa Worcester, các nhà nghiên cứu đã phát triển một loại bê tông tự phục hồi, sử dụng một loại enzyme biến carbon dioxide trong khí quyển thành các tinh thể canxi cacbonat, bịt kín các vết nứt với quy mô milimet và ngăn chặn sự hư hại lan rộng trên vật liệu. Không giống như các thí nghiệm với bê tông tự phục hồi bằng cách sử dụng vi khuẩn, quá trình này nhanh hơn và không gây ra bất kỳ vấn đề an toàn nào.

3. Thử nghiệm thực tế và các ứng dụng kiến ​​trúc

Trung tâm Công nghệ sinh học trong môi trường xây dựng là một dự án nghiên cứu tập hợp các nhà khoa học sinh học từ Đại học Northumbria và các kiến ​​trúc sư, nhà thiết kế và kỹ sư từ Đại học Newcastle để phát triển công nghệ sinh học giúp tạo ra các tòa nhà thân thiện với môi trường. Nghiên cứu tập trung vào việc sản xuất các vật liệu thiết kế “sống” có thể tự chuyển hóa chất thải của chúng, giúp giảm ô nhiễm, làm cho quá trình xây dựng hiệu quả hơn và thậm chí tạo ra năng lượng. Một dự án thử nghiệm đã được triển khai trong khuôn viên Đại học Newcastle thử phỏng theo một công trình đã được xây dựng từ trước. Các nhà nghiên cứu sẽ thử nghiệm các vật liệu, phát triển các quy trình để chuyển đổi chất thải sinh hoạt thành nhiệt và năng lượng, thử nghiệm các ý tưởng ngoại thất mới và hệ vi sinh vật của tòa nhà.

Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Thiết kế Tích hợp tại Đại học Bắc Carolina Charlotte đã phát triển một hệ thống ngoại thất vi tảo có thể thích ứng để cải thiện chất lượng không khí trong nhà và sản xuất năng lượng tái tạo thông qua các bộ phản ứng quang học tích hợp. Không khí được đưa vào trong hệ thống lắp đặt bên ngoài tòa nhà và oxy do tảo tạo ra được đưa vào hệ thống điều hòa của tòa nhà. Tảo tươi thường xuyên được đưa vào hệ thống, và những tảo đã nạp carbon sẽ chìm xuống dưới đáy và được chuyển thành nhiên liệu sinh học. Hệ thống đã được điều chỉnh và phát triển để sử dụng cho mục đích thương mại.

Vài ví dụ trên từ một lĩnh vực nghiên cứu mở rộng vẽ nên một hình ảnh toàn diện về ngành vật liệu xây dựng bền vững sẽ như thế nào trong tương lai. Để phát triển, cần có nhiều nghiên cứu hơn nữa để đánh giá các vấn đề như an toàn và ô nhiễm sinh học. Ngoài ra, những vật liệu mới này sẽ phải thuyết phục được dư luận, những người lo sợ đối với thế giới vi khuẩn. Lĩnh vực vật liệu sống vẫn còn trong giai đoạn sơ khai và còn một chặng đường dài để đi từ nghiên cứu trong phòng thí nghiệm đến thương mại hóa. Tuy nhiên, nghiên cứu này mở ra con đường hướng tới một thế giới vật liệu mới và một cấp độ bền vững mới trong kiến ​​trúc.