14/02/2024
Door Ad Spijkers
Zweedse onderzoekers hebben een hydrogelmateriaal gemaakt van nanocellulose en algen en getest als alternatief, groener architectonisch materiaal.
Het onderzoek van de Chalmers University of Technology in Gothenburg en het Wallenberg Wood Science Center laat zien hoe het ruim beschikbaar duurzame materiaal in 3D kan worden geprint. Het is geschikt voor een breed scala aan architectonische componenten, met veel minder energie dan conventionele bouwmethoden.
Nanocellulose
De bouwsector verbruikt volgens het persbericht 50% van de fossiele hulpbronnen in de wereld, genereert 40% van het mondiale afval en veroorzaakt 39% van de mondiale CO2-uitstoot. Er is een groeiende onderzoekslijn naar biomaterialen en hun toepassingen, om de transitie naar een groenere toekomst mogelijk te maken, in lijn met bijvoorbeeld de Europese Green Deal.
De Zweedse onderzoekers hebben een architecturale toepassing van nanocellulose-hydrogel onderzocht. Concreet hebben ze de tot nu toe ontbrekende kennis over de ontwerp-gerelateerde functies aangeleverd. Met behulp van monsters en prototypes hebben ze de mogelijkheden van deze functies gedemonstreerd met behulp van een op maat gemaakt digitaal ontwerp en robotachtig 3D-printen.
Nanocellulose is geen nieuw biomateriaal en de eigenschappen ervan als hydrogel zijn bekend binnen de biogeneeskunde. Daar kan het door zijn biocompatibiliteit en vochtigheid in 3D worden geprint in frames voor weefsel- en celgroei. Maar het is nog nooit eerder gedroogd en als architectonisch materiaal gebruikt.
Technologie
Het onderzoeksteam gebruikte nanocellulose-vezels en water, met toevoeging van een op algen gebaseerd materiaal genaamd alginaat. Met het alginaat konden de onderzoekers een 3D-printbaar materiaal produceren; het alginaat voegde tijdens het drogen extra flexibiliteit aan het materiaal toe.
Cellulose wordt gezien als het meest voorkomende milieuvriendelijke alternatief voor plastic, omdat het een van de bijproducten is van de grootste industrieën ter wereld. De nanocellulose die in dit onderzoek is gebruikt, kan worden gewonnen uit de bosbouw, de landbouw, papierfabrieken en stroresten uit de landbouw. In die zin is het een ruim beschikbaar materiaal.
3D-printen
Volgens de Europese Green Deal moeten gebouwen in Europa vanaf 2030 efficiënter omgaan met hulpbronnen. Dit kan worden bereikt door meer hergebruik en recycling van materialen, zoals met nanocellulose, een opgewaardeerd bijproduct van de industrie. Terwijl gebouwen circulairder moeten worden, worden geavanceerde digitale technieken benadrukt als belangrijke hefbomen om deze doelen te bereiken.
Via 3D-printen kunnen onderzoekers en fabrikanten producten maken zoals matrijzen en gietvormen, waardoor er minder afvalmateriaal is. De techniek is ook zuinig met energie. Het robotachtige 3D-printsysteem dat de onderzoekers gebruiken, maakt geen gebruik van warmte, alleen van perslucht. Het werkt bij kamertemperatuur.
De energie-efficiency van het proces is afhankelijk van de afschuifeigenschappen van de nanocellulose-hydrogel. Als er druk op uitoefent, wordt het vloeibaar waardoor het in 3D kan worden geprint. Als je de druk wegvalt, behoudt het zijn vorm. Hierdoor kunnen de onderzoekers werken zonder de energie-intensieve processen die gebruikelijk zijn in de bouwsector.
Verschillende vormen
Het onderzoeksteam ontwierpen veel verschillende vormen voor gebruik in het robotachtige 3D-printproces. Ze wilden zien hoe de nanocellulose-hydrogel zich zou gedragen als deze in verschillende vormen en patronen zou drogen. Deze gedroogde vormen kunnen vervolgens worden toegepast als basis voor het ontwerpen van een breed scala aan architectonische, op zichzelf staande componenten. Te denken valt aan lichtgewicht scheidingswanden, zonwering en wandpaneelsystemen.
Ze kunnen ook de basis vormen voor coatings van bestaande bouwcomponenten, zoals tegels op beklede muren, akoestische elementen voor het dempen van geluid, en in combinatie met andere materialen om skeletwanden te bekleden.
Groene toekomst
Traditionele bouwmaterialen zijn ontworpen om honderden jaren mee te gaan. Meestal hebben ze voorspelbaar gedrag en homogene eigenschappen. Van beton, glas en allerlei harde materialen is bekend hoe ze na verloop van tijd zullen verouderen. Daarentegen bevatten biobased materialen organisch materiaal dat is ontworpen om biologisch af te breken en in de natuur te recyclen. De wetenschap moet daarom volledig nieuwe kennis verwerven over hoe ze die in de architectuur kunnen toepassen.
Ook moet worden onderzocht hoe de kortere levenscyclus en heterogene gedragspatronen zijn te hanteren. Deze lijken immers meer op die in de natuur dan in een kunstmatige en volledig gecontroleerde omgeving. Onderzoekers en architecten zijn op zoek naar manieren om producten te ontwerpen die van deze materialen zijn gemaakt, zowel qua functionaliteit als qua esthetiek.
De nog niet volledig bekende eigenschappen van nieuwe biobased materialen zetten onderzoekers ertoe aan alternatieve benaderingen te bedenken voor het ontwerpen van deze nieuwe producten. Dat gebeurt niet alleen in termen van de functionele kwaliteiten, maar ook in termen van de acceptatie door de gebruikers. De esthetiek van biobased materialen is daarbij een belangrijk onderdeel. Als onderzoekers en architecten deze biobased materialen willen voorstellen aan de samenleving en mensen, moeten ze ook met het ontwerp aan de slag. Als mensen de materialen niet accepteren, zullen de doelstellingen van een circulaire economie en een duurzame gebouwde omgeving niet worden bereikt.
De wetenschappelijke publicatie vindt u hier.
Foto: Chalmers University of Technology