För första gången har ett hydrogelmaterial av nanocellulosa och alger testats som ett alternativt, grönare arkitektoniskt material. Studien, från Chalmers tekniska högskola och Wallenberg Wood Science Center, visar hur det rikliga hållbara materialet kan 3D-printas till ett brett spektrum av arkitektoniska komponenter, med mycket mindre energi än konventionella byggmetoder.
Byggbranschen förbrukar idag 50 procent av världens fossila resurser, genererar 40 procent av det globala avfallet och orsakar 39 procent av de globala koldioxidutsläppen. Det finns en växande forskningslinje kring biomaterial och deras tillämpningar, för att gå över till en grönare framtid i linje med till exempel European Green Deal.
Nanocellulosa är inget nytt biomaterial och dess egenskaper som hydrogel är kända inom biomedicinområdet, där det kan 3D-printas i byggnadsställningar för vävnads- och celltillväxt på grund av dess biokompatibilitet och fuktighet. Men det har aldrig torkats och använts som arkitektoniskt material tidigare.
– För första gången har vi utforskat en arkitektonisk tillämpning av nanocellulosahydrogel. Specifikt tillhandahöll vi den hittills saknade kunskapen om dess designrelaterade funktioner och visade upp, med hjälp av våra prover och prototyper, justeringsbarheten för dessa funktioner genom anpassad digital design och robotisk 3D-utskrift, säger Malgorzata Zboinska, huvudförfattare till studien från Chalmers tekniska högskola.
Teamet använde nanocellulosafibrer och vatten, med tillägg av ett algbaserat material som kallas alginat. Alginatet gjorde det möjligt för forskarna att producera ett 3D-utskrivbart material, eftersom alginatet tillförde en extra flexibilitet till materialet när det torkade.
Cellulosa myntades som det vanligaste miljövänliga alternativet till plast, eftersom det är en av biprodukterna från världens största industrier. – Den nanocellulosa som används i denna studie kan hämtas från skogsbruk, jordbruk, pappersbruk och halmrester från jordbruket. Det är ett väldigt rikligt material i den meningen”, säger Malgorzata Zboinska.
3D-utskrift och nanocellulosa/ En resurseffektiv teknik
Arkitektbranschen är idag omgiven av tillgång till digital teknik som möjliggör användning av ett bredare utbud av nya tekniker, men det finns en lucka i kunskapen om hur dessa tekniker kan tillämpas. Enligt European Green Deal måste byggnader i Europa från och med 2030 bli mer resurseffektiva, och detta kan uppnås genom ökad återanvändning och återvinning av material, till exempel med nanocellulosa, en återvunnen, biprodukt från industrin. Samtidigt som byggnader ska bli mer cirkulära lyfts spjutspets digitala tekniker fram som viktiga hävstång för att nå dessa mål.
– 3D-utskrift är en mycket resurseffektiv teknik. Det gör att vi kan tillverka produkter utan andra saker som stansar och gjutformer, så det blir mindre avfall. Det är också mycket energieffektivt. Det robotiserade 3D-utskriftssystemet vi använder använder inte värme, bara lufttryck. Det sparar mycket energi eftersom vi bara arbetar i rumstemperatur, fortsätter Malgorzata Zboinska.
Den energieffektiva processen är beroende av nanocellulosahydrogelens skjuvförtunningsegenskaper. När du applicerar tryck blir det flytande så att det kan 3D-utskrivas, men när du tar bort trycket behåller det sin form. Detta gör att forskarna kan arbeta utan de energikrävande processer som är vanliga i byggbranschen.
Malgorzata Zboinska och hennes team designade många olika verktygsbanor som ska användas i den robotiserade 3D-utskriftsprocessen för att se hur nanocellulosahydrogelen skulle bete sig när den torkade i olika former och mönster. Dessa torkade former kan sedan användas som grund för att designa ett brett utbud av arkitektoniska fristående komponenter, såsom lätta rumsavdelare, persienner och väggpanelsystem.
De skulle också kunna ligga till grund för beläggningar av befintliga byggnadsdelar, såsom kakel till beklädda väggar, akustikelement för ljuddämpning och i kombination med andra material för att bekläda skelettväggar.
Framtiden för grönare byggmaterial
– Traditionella byggmaterial är designade för att hålla i hundratals år. Vanligtvis har de förutsägbara beteenden och homogena egenskaper. Vi har betong, glas och alla möjliga hårda material som håller och vi vet hur de kommer att åldras med tiden. I motsats till detta innehåller biobaserade material organiskt material, det vill säga från början designat för att bryta ned biologiskt och återvända till naturen. Vi behöver därför skaffa oss helt ny kunskap om hur vi skulle kunna tillämpa dem i arkitektur, och hur vi skulle kunna omfamna deras kortare livscykelslingor och heterogena beteendemönster, som mer liknar de som finns i naturen snarare än i en artificiell och helt kontrollerad miljö. Designforskare och arkitekter söker nu intensivt efter sätt att designa produkter tillverkade av dessa material, både för funktion och för estetik, säger Malgorzata Zboinska.
Denna studie ger de första stegen för att demonstrera uppskalningspotentialen hos omgivande torkade, 3D-tryckta nanocellulosamembrankonstruktioner, såväl som en ny förståelse av förhållandet mellan utformningen av materialets avsättningsvägar via 3D-utskrift, och den dimensionella, texturella, och geometriska effekter i de slutliga konstruktionerna.
Denna kunskap är en nödvändig språngbräda som gör det möjligt för Malgorzata Zboinska och hennes team att genom ytterligare forskning utveckla tillämpningar av nanocellulosa i arkitektoniska produkter som behöver möta specifika funktionella och estetiska användarkrav.
– De ännu inte helt kända egenskaperna hos nya biobaserade material får arkitektoniska forskare att etablera alternativa tillvägagångssätt för att designa dessa nya produkter, inte bara när det gäller de funktionella egenskaperna, utan också acceptansen från användarna. Biobaserade materials estetik är en viktig del av detta. Om vi ska föreslå dessa biobaserade material till samhälle och människor måste vi jobba med designen också. Detta blir ett mycket starkt element för acceptansen av dessa material. Om människor inte accepterar dem kommer vi inte att nå målen om en cirkulär ekonomi och hållbar byggd miljö.
Mer om forskningen:
Forskningen presenteras i en artikel:
”Robotically 3D printed architectural membranes from ambient dryed cellulose nanofibril-alginate hydrogel”, publicerad i tidskriften Materials and Design.
Forskarna som deltar i studien är:
Malgorzata A. Zboinska, Sanna Sämfors och Paul Gatenholm. Forskarna var verksamma vid Chalmers tekniska högskola och Wallenberg Wood Science Center, båda i Sverige, vid tidpunkten för studien.
Detta arbete stöddes av Adlerbertska forskningsstiftelsen och Chalmers tekniska högskolas område för avancerad materialvetenskap. Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse uppmärksammas tacksamt för finansieringen av Wallenberg Wood Science Center. Författarna vill också uppmärksamma bidraget från Karl Åhlund, som hjälpte till med utvecklingen av robotextruderingssystem.
Fakta – tidigare forskning:
Utskrift med nanocellulosa utvecklades första gången vid Chalmers tekniska högskola inom Wallenberg Wood Science Center 2015. Det är första gången denna teknik skalas upp mot tillämpningar i byggnader.
