قام الباحثون في ETH Zurich بتطوير غطاء صديق للمناخ للجدران والأسقف يخزن الرطوبة مؤقتًا، مما يخلق بيئة مريحة في المساحات الداخلية المستخدمة بكثافة. مكونات التغطية مصنوعة من مواد النفايات المعدنية ويتم إنتاجها عن طريق الطباعة ثلاثية الأبعاد.
سواء كانت غرفة الاجتماعات في مبنى المكاتب، أو غرفة العرض في المتحف، أو منطقة الانتظار في مكتب حكومي، يتجمع الكثير من الناس في مثل هذه الأماكن، وسرعان ما يصبح الهواء كثيفًا. ويرجع ذلك جزئيا إلى زيادة الرطوبة. تُستخدم أنظمة التهوية بشكل شائع في المباني المكتبية والإدارية لإزالة الرطوبة من الغرف وضمان جو مريح. تعمل عملية إزالة الرطوبة الميكانيكية بشكل موثوق، ولكنها تكلف طاقة ولها تأثير سلبي على المناخ – اعتمادًا على الكهرباء المستخدمة.
على هذه الخلفية، قام فريق من الباحثين من ETH Zurich بالتحقيق في طريقة جديدة للتجفيف السلبي للرطوبة في الأماكن الداخلية. السلبي، في هذا السياق، يعني أن الرطوبة العالية تمتصها الجدران والأسقف وتخزنها مؤقتًا. بدلاً من إطلاقها في البيئة عن طريق نظام تهوية ميكانيكية، يتم تخزين الرطوبة مؤقتًا في مادة ماصة للرطوبة، ثم يتم إطلاقها لاحقًا عند تهوية الغرفة. يقول غيوم هابيرت، أستاذ البناء المستدام، الذي أشرف على مشروع بحث ETH: “إن الحل الذي نقدمه مناسب للأماكن ذات الحركة المرورية العالية التي تكون أنظمة التهوية الموجودة فيها غير كافية”.
النفايات الناتجة عن محاجر الرخام
اتبع هابرت وفريقه البحثي مبدأ الاقتصاد الدائري في بحثهم عن مادة استرطابية مناسبة. نقطة البداية هي النفايات المطحونة جيدًا من محاجر الرخام. هناك حاجة إلى مادة رابطة لتحويل هذا المسحوق إلى مكونات جدارية وسقفية عازلة للرطوبة. يتم تنفيذ هذه المهمة بواسطة جيوبوليمر، وهي فئة من المواد تتكون من ميتاكاولين (المعروف من إنتاج الخزف) ومحلول قلوي (سيليكات البوتاسيوم والماء). يقوم المحلول القلوي بتنشيط الميتاكاولين ويوفر رابط جيوبوليمر يربط مسحوق الرخام ليشكل مادة بناء صلبة. يشبه رابط الجيوبوليمر الأسمنت ولكنه ينبعث منه كمية أقل من ثاني أكسيد الكربون2 أثناء إنتاجه.
وفي مشروع ETH، نجح العلماء في إنتاج نموذج أولي لعنصر الجدار والسقف بقياس 20 × 20 سم وسمك 4 سم. تم تنفيذ الإنتاج باستخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد في مجموعة بقيادة بنجامين ديلينبرجر، أستاذ تقنيات البناء الرقمي. في هذه العملية، يتم وضع مسحوق الرخام في طبقات ولصقه باستخدام مادة رابطة الجيوبوليمر (تقنية الطباعة النفاثة). يقول بنجامين ديلينبرجر: “تتيح هذه العملية الإنتاج الفعال للمكونات في مجموعة واسعة من الأشكال”.
تعمل مكونات التحكم في الرطوبة على زيادة الراحة
يعد الجمع بين الجيوبوليمر والطباعة ثلاثية الأبعاد لإنتاج خزان للرطوبة بمثابة نهج مبتكر للبناء المستدام. قادت عالمة فيزياء البناء ماجدا بوساني دراسة خصائص المادة الاسترطابية في المعهد الفدرالي للتكنولوجيا في زيورخ قبل أن تتولى مؤخرًا منصب الأستاذية في جامعة آلتو في إسبو بفنلندا. يعتمد المشروع على أطروحة الدكتوراه لعالمة المواد فيرا فوني، والتي يشرف عليها كبير الباحثين المساعدين كورالي برومود والمهندس المعماري بيترو أوداليا، الذي طور المادة وآلة الطباعة ثلاثية الأبعاد في ETH.
يقول بوساني، وهو يلخص النتيجة الرئيسية لمشروع البحث: “لقد تمكنا من خلال المحاكاة العددية من إثبات أن مكونات المبنى يمكن أن تقلل بشكل كبير من الرطوبة في الأماكن الداخلية المستخدمة بكثافة”. بالنسبة للمحاكاة، كان من المفترض أن جدران وسقف غرفة القراءة التي يستخدمها 15 شخصًا في مكتبة عامة في بورتو، البرتغال كانت مبطنة بالكامل بمكونات استرطابية. حسبت ماجدة بوساني عدد المرات وإلى أي مدى تجاوزت الرطوبة منطقة الراحة، أي 40 إلى 60 بالمائة من الرطوبة النسبية في غرفة القراءة الافتراضية هذه على مدار عام. من هذا، قامت بحساب مؤشر الانزعاج، وهو الرقم الذي يعبر عن فقدان الراحة الناجم عن الرطوبة العالية أو المنخفضة بشكل مفرط. إذا تم تجهيز غرفة القراءة بمكونات عازلة للرطوبة، فيمكن تقليل مؤشر الانزعاج بنسبة 75 بالمائة مقارنة بالجدار المطلي التقليدي. إذا تم استخدام مكونات بسمك 5 سم بدلاً من 4 سم فقط، انخفض مؤشر الانزعاج بنسبة تصل إلى 85 بالمائة.
في الطباعة ثلاثية الأبعاد التقليدية، يتم وضع البلاستيك اللزج طبقة بعد طبقة على اللوحة الأساسية. يتم استخدام عملية طباعة ثلاثية الأبعاد مختلفة لإنتاج مكونات الجدار والسقف: الطباعة النفاثة. هنا، يتم وضع طبقة من مسحوق الرخام المطحون جيدًا والميتاكاولين على صفيحة القاعدة. تطبق طائرة نفاثة متحركة محلول سيليكات البوتاسيوم على الأماكن المرغوبة، مما يؤدي إلى تصلب المسحوق. ومن خلال تكرار العملية، يتم بناء المكون طبقة بعد طبقة. (الرسم التوضيحي: فيرا فوني)
أكثر ملاءمة للمناخ من أنظمة التهوية
تعتبر مكونات الجدار والسقف المسترطبة صديقة للمناخ، أي أنها تسبب انخفاضًا ملحوظًا في انبعاثات غازات الدفيئة على مدار دورة حياة مدتها 30 عامًا مقارنة بنظام التهوية الذي يزيل الرطوبة من جودة الهواء بنفس القدر. في حسابات المحاكاة، تمت مقارنة مكونات الجدار والسقف أيضًا مع الجص الطيني الذي تم استخدامه منذ زمن سحيق وينظم أيضًا رطوبة الهواء بشكل سلبي في الأماكن الداخلية. أثبتت هذه التقنية القديمة أنها أكثر ملاءمة للمناخ من المكونات الاسترطابية. ومع ذلك، فإن الجص لديه قدرة تخزين أقل لبخار الماء.
أظهر البحث الذي أجراه ETH أنه يمكن استخدام مزيج من الجيوبوليمر والطباعة ثلاثية الأبعاد لإنتاج مكونات الجدران والسقف من أجل تخزين الرطوبة بشكل فعال. وبعد هذا الإثبات للمفهوم، أصبحت التكنولوجيا، من حيث المبدأ، جاهزة لمزيد من التطوير والتوسع في التصنيع الصناعي. وفي الوقت نفسه، تستمر الأبحاث. وفي مشروع مشترك مع كلية الفنون التطبيقية في تورينو وجامعة آلتو، تعمل ETH Zurich على إنتاج مكونات الجدران والسقف ذات انبعاثات غازات دفيئة أقل. لأن هناك أمر واحد واضح: إذا أرادت سويسرا تحقيق هدفها المتمثل في تحقيق هدف الصفر بحلول عام 2050، فإنها تحتاج إلى مباني تسبب أقل قدر ممكن من انبعاثات الغازات الدفيئة أثناء البناء والاستخدام.
مرجع
Posani، M، Voney، V، Odaglia، P، Du، Y، Komkova، A، Brumaud، C، Dillenburger، B، Habert، G. تنظيم الرطوبة الداخلية منخفضة الكربون عبر مكونات البناء فائقة الرطوبة المطبوعة ثلاثية الأبعاد. اتصالات الطبيعة، 10. يناير 2025. DOI: 10.1038/s41467-024-54944-1.
