Tạo ra các tòa nhà in 3D từ đất

Các nhà khoa học đã trình bày kết quả nghiên cứu của họ hôm 20-8 tại Hội nghị và Triển lãm Ảo Mùa thu 2020 của Hiệp hội Hóa học Mỹ (ACS).

Theo Cơ quan Năng lượng Quốc tế, công nghệ này được thiết kế để trở thành một giải pháp thay thế bền vững cho bê tông, chiếm khoảng 7% lượng khí thải carbon dioxide.

Giáo sư hóa học và khoa học kỹ thuật vật liệu Sarbajit Banerjee, Đại học Texas A&M, Mỹ, cho biết phương pháp in 3D cho phép họ in toàn bộ mặt tiền kiến ​​trúc. Nhưng để các cấu trúc này đáp ứng các quy định xây dựng hiện hành vẫn là một thách thức đáng kể.

Bê tông vẫn là vật liệu chính được sử dụng trong nhiều dự án xây dựng nhưng nó không thể tái chế và cần nhiều nguồn lao động để trộn và vận chuyển. Mục đích của nhóm nghiên cứu là in các cấu trúc bằng cách sử dụng loại đất có thể tìm thấy trong bất kỳ khu vườn nào.

Giáo sư Banerjee cho biết: “Mặc dù việc sử dụng bê tông rộng rãi đã thúc đẩy quyền tiếp cận nhà ở và thúc đẩy sự phát triển của các thành phố, nhưng điều này đã phải trả một cái giá đáng kể về môi trường”.

Một tòa nhà in 3D ở Dubai, Ấn Độ đã sử dụng công nghệ này để xây dựng toàn bộ mặt tiền kiến ​​trúc. Ảnh: Reuters

“Việc chuyển sang bê tông in 3D có nguy cơ làm trầm trọng thêm vấn đề này. Tuy nhiên, mô hình xây dựng mới mà chúng tôi hướng đến sử dụng các vật liệu có nguồn gốc tự nhiên. Những vật liệu này sẽ mở đường cho việc xây dựng những thiết kế đặc biệt thích ứng với nhu cầu của khí hậu địa phương, thay vì những ngôi nhà khuôn mẫu”, Giáo sư Banerjee nói.

“Chúng tôi coi đây là một phương tiện để cung cấp môi trường sống tử tế cho những người nghèo nhất trên thế giới”, ông khẳng định.

Hơn nữa, việc sử dụng các vật liệu địa phương sẽ làm giảm nhu cầu vận chuyển bê tông trên quãng đường dài, giảm tác động môi trường của các tòa nhà.

Việc thay thế bê tông bằng đất phụ thuộc vào khả năng của nhóm nghiên cứu trong việc cải thiện khả năng chịu tải của đất. Về điều này, Giáo sư Banerjee cho biết họ “đang đạt được tiến bộ xuất sắc”.

Tiến sĩ Aayushi Bajpayee, một nghiên cứu sinh tại phòng thí nghiệm của Giáo sư Banerjee tại Đại học Texas A&M, cho biết: “Trong lịch sử, con người thường xây dựng bằng vật liệu có nguồn gốc địa phương, chẳng hạn như gạch nung, nhưng việc chuyển sang bê tông đã đặt ra nhiều vấn đề về môi trường”.

“Suy nghĩ của chúng tôi là quay ngược đồng hồ và tìm cách điều chỉnh đất ở địa phương trở lại như một vật liệu thay thế tiềm năng cho bê tông”, cô Bajpayee nói.

Đất thường được phân loại theo các lớp vật liệu, bắt đầu từ lớp hữu cơ trên cùng, nơi thực vật phát triển và kết thúc ở lớp nền cứng của vỏ trái đất. Bên dưới lớp hữu cơ ban đầu là đất sét, tạo cho đất đặc tính dẻo, có thể nặn được. Các nhà nghiên cứu đã tận dụng lớp đất sét trong dự án của họ.

Họ bắt đầu bằng cách thu thập các mẫu đất từ ​​sân sau của một đồng nghiệp và điều chỉnh vật liệu bằng một loại phụ gia mới thân thiện với môi trường để chúng liên kết với nhau và dễ dàng đùn qua máy in 3D.

Bởi vì các loại đất khác nhau rất nhiều theo vị trí địa lý, mục đích của họ là tạo ra một “bộ công cụ” hóa học có thể biến đổi bất kỳ loại đất nào thành vật liệu xây dựng có thể in được.

Các nhà khoa học đã phát triển phương pháp in 3D sử dụng đất tại chỗ. Ảnh: Tiến sĩ Aayushi Bajpayee.

Từ đó, Tiến sĩ Bajpayee đã xây dựng các cấu trúc thử nghiệm quy mô nhỏ, các hình khối có kích thước 5 cm mỗi cạnh, để xem vật liệu hoạt động như thế nào khi đùn thành các lớp xếp chồng lên nhau.

Bước tiếp theo là họ phải bảo đảm rằng hỗn hợp vật liệu chịu được tải trọng, nghĩa là nó sẽ chịu được trọng lượng của các lớp cũng như các vật liệu khác được sử dụng trong xây dựng như thanh thép và vật liệu cách nhiệt.

Để giải quyết vấn đề này, các nhà nghiên cứu đã tăng cường hỗn hợp đất sét bằng cách phủ các lớp cực nhỏ trên bề mặt của nó để ngăn nó hấp thụ nước và giãn nở, điều này sẽ làm tổn hại đến cấu trúc in.

Với phương pháp này, các nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng vật liệu có thể chịu trọng lượng gấp đôi so với hỗn hợp đất sét không biến tính.

Tiếp theo, nhóm nghiên cứu cải thiện khả năng chịu tải của đất để mở rộng quy mô thử nghiệm và tiến gần với việc thay thế bê tông nhất có thể.

Ngoài ra, họ đang thu thập dữ liệu để xem liệu các cấu trúc in 3D này có thân thiện với môi trường như họ hình dung hay không, đặc biệt là về lượng khí thải carbon và tiềm năng tái chế.

Khi họ có một bức tranh rõ ràng hơn về hóa học, chức năng và tính khả thi của việc xây dựng bằng đất ở từng địa phương, Giáo sư Banerjee và nhóm của ông dự định khám phá sâu hơn cách công nghệ này có thể được sử dụng bên ngoài hành tinh của chúng ta.

Giáo sư Banerjee cho biết: “Chúng tôi xem nghiên cứu này không chỉ là một phương tiện thay thế bê tông mà còn cho phép xây dựng trong những môi trường khó khăn. Thí dụ, chúng tôi đã làm việc để giải quyết vấn đề xây dựng những con đường phù hợp với mọi thời tiết ở cận Bắc Cực”.

“Công nghệ này một ngày nào đó có thể được sử dụng bên ngoài Trái đất, để tạo ra các khu định cư trên mặt trăng hoặc thậm chí là trên sao Hỏa", ông khẳng định.