Onderzoekers printen dragende structuren uit lokale materialen

Beton is in veel bouwprojecten het materiaal naar keuze. Het materiaal kent echter ook nadelen, zoals een grote CO2-voetafdruk. Onderzoekers zijn erin geslaagd een duurzamer alternatief te ontwikkelen. Het gaat hierbij om een duurzaam materiaal dat wordt 3D-geprint uit lokale grond en een dragende structuur kan creëren.

Het materiaal is ontwikkeld door onderzoekers van de Amerikaanse Texas A&M University. Hun onderzoeksresultaten zijn gepubliceerd tijdens een virtuele conferentie van de American Chemical Society (ACS). “De milieuimpact van de bouwsector is een groeiend probleem”, stelt hoofdonderzoeker Sarbajit Banerjee. “Sommige onderzoekers kijken naar additieve productie, of het laag-voor-laag opbouwen van gebouwstructuren zoals dat vaak gebeurt met een 3D-printer. Die ontwikkeling begint de sector te transformeren als het gaat om afvalreductie. De materialen die in het proces gebruikt worden moeten echter ook duurzaam zijn.”

Goed voor 7% van de CO2-emissies

Eerder is al geëxperimenteerd met bouwprojecten waarbij met behulp van een machine lagen beton worden geëxtrudeerd, net zoals dat bij een Fused Deposit Modeling (FDM) 3D-printer gebeurt. Deze werkwijze laat zien dat additieve productie kan helpen snel en goedkoop gebouwstructuren neer te zetten. Uit cijfers van het Internationaal Energie Agentschap (IEA) blijkt dat de productie van beton ongeveer goed is voor 7% van de wereldwijde CO2-emisssies. Het materiaal is niet recyclebaar.

“Historisch bouwden mensen met behulp van lokale materialen, zoals leemsteen (adobe). De verschuiving naar beton leidt echter tot milieuproblemen”, zegt Aayushi Bajpayee, als onderzoeker verbonden aan Banerjee’s lab aan de Texas A&M University. “Wij wilden de klok terugzetten en een manier vinden om materialen uit onze achtertuin aan te passen als potentiële vervanging voor beton.”

Minder impact op het milieu

Een belangrijk voordeel van het gebruik van lokale grond is de beschikbaarheid hiervan. Zo hoeft het materiaal niet langer op afstand te worden geproduceerd en vervolgens naar de bouwplaats te worden vervoerd, maar kan direct op locatie worden gemaakt. Dit scheelt niet alleen kosten, maar ontlast ook het milieu. De onderzoekers hopen dat hun technologie ooit wellicht ook op de Maan of Mars kan worden gebruikt voor het bouwen van nederzettingen.

Grond bestaat op iedere locatie uit een andere samenstelling. Deze samenstelling bestaat bijvoorbeeld uit de toplaag waar planten groeien, gevolgd door onder meer een kleilaag en uiteindelijk het gesteente van de korst van de aarde. Met name de kleilaag zorgt voor het kneedbare karakter waar de onderzoekers van profiteren in hun project om een printbaar materiaal te creëren.

Chemische toolkit

Tijdens hun experiment hebben de onderzoekers lokale grond uit de achtertuin van één van hun collega’s gebruikt. Deze grond is gecombineerd met een milieuvriendelijk additief dat het materiaal bindt en makkelijker extrudeerbaar maakt voor 3D-printers. Om hun aanpak geschikt te maken voor allerlei soorten grond ontwikkelden de onderzoekers vervolgens een ‘chemische toolkit’ die iedere vorm van grond kan omzetten in een printbaar bouwmateriaal.

Om het mogelijk te maken dragende structuren te printen is het kleimengsel verstevigt door de microscopische lagen aan de oppervlakte van het materiaal als een rits in elkaar te laten vallen. Dit voorkomt dat het materiaal water absorbeert en uitzet, wat de geprinte structuur in gevaar kan brengen. Het aangepaste materiaal kan twee keer meer gewicht dragen dan een standaard kleimengsel.

Grotere teststructuren produceren

Het team wil nu het draagvermogen van het materiaal verbeteren om grotere teststructuren te kunnen produceren. De onderzoekers stellen zich hierbij als doel het materiaal zo dicht mogelijk bij een vervanging voor beton te brengen. Ook verzamelen zij data om de impact op het milieu in kaart te brengen en te controleren of het materiaal daadwerkelijk zo milieuvriendelijk is als gedacht. Hierbij wordt onder meer gekeken naar CO2-voetafdruk en recyclebaarheid.

Auteur: Wouter Hoeffnagel
Foto door: Aayushi Bajpayee