Forskere er ved at patentere en ny opskrift på beton, hvor de helt udelader cement, som er betonens store CO2-belastende ingrediens. I stedet udnytter de organiske stoffer fra bl.a. affald. Og 3D-printer snoede, biomorfe strukturer.
Det var ikke lige en ny betonopskrift, lektor Holger Koss og ph.d.-studerende Julian Christ ved DTU Byg var på jagt efter, da Julian for fem år siden som studerende på DTU begyndte at optimere konstruktionen af et shelter til Grønland. De var egentlig heller ikke ude på at beskæftige sig med 3D-betonprint og opfinde en helt ny løsning i printteknologien, så det er muligt at printe i flere retninger end bare vertikalt.
Ikke desto mindre er Holger Koss og Julian Christ i dag på vej til at 3D-printe i stort set alle retninger med beton. De kan printe buer og større udhæng, og de er i gang med at patentere en ny opskrift på beton. En cementfri beton.
”Vi har udviklet og afprøvet en betontype, hvor vi helt udelader cement. Vi har erstattet cement med biopolymerer, dvs. organiske stoffer, der er biologisk nedbrydeligt materiale,” siger Holger Koss.
Hører man til det flertal i befolkningen, der ikke lige vandrer rundt med opskriften på beton i baghovedet, så er det vigtigste i denne forbindelse at huske, at cement består af kalk og ler og kan udgøre op til 20 pct. af beton, og at det er cementen, som er den største CO2-synder i beton. Ifølge Det Internationale Energiagentur (IEA) anslås den globale cementproduktion til at være årsag til 7 pct. af den totale menneskeskabte CO2-udledning. Så en cementfri beton er særdeles interessant i en tid, hvor der skal skrues og drejes på alle de knapper, vi kan finde, for at sænke CO2-udslippet.
Optimeret design på et shelter
Men hvad fik de to forskere hertil? Holger Koss forklarer:
”Jeg forsker i vindens påvirkning af bygningskonstruktioner og blev derfor involveret i Julians kandidatprojekt, hvor han skulle udvikle den optimale struktur til et shelter til Grønland, som var så stærkt, at det kunne modstå de barske vindforhold der, samtidig med at der blev brugt så få materialer som muligt. Samtidig havde vi et ønske om at udnytte eller genanvende materialer, der findes lokalt.”
Shelteret var en kuppelformet struktur ligesom de telte, festivalgæster bruger på teltpladserne. I en vindtunnel kunne forskerne måle, hvordan hård blæst belaster shelteret, og ud fra denne viden begyndte Julian Christ at optimere strukturen. Metoden, han benyttede, var stokastisk topologioptimering, der lidt forenklet forklaret handler om at regne ud, hvor man skal placere materialet i en konstruktion ud fra ønsket om at bruge så lidt materiale som muligt, uden at det går ud over konstruktionens styrke. I den stokastiske topologioptimering tog Julian Christ højde for de varierende belastninger, som vinden påfører shelterstrukturen.
Efter topologioptimeringen stod forskerne med et kuppelformet shelter, hvor de bærende strukturer forgrenede sig rundt i halvkuglen uden nogen lige linjer eller rette vinkler.
”Vi fik en meget organisk og biomorf struktur ud af optimeringen. Det ligner noget, som naturen selv ville have lavet,” siger Julian Christ.
Kan det 3D-printes?
Da beton mest består af sten og sand, som findes i rigelige mængder på Grønland, ville det give mening at opføre shelteret i beton. Men som de bygnings- og konstruktionsingeniører, Holger og Julian er, gennemskuede de med det samme, at denne biomorfe struktur ville blive meget udfordrende at støbe i beton. Bare at producere formene til støbningen ville blive alt for dyrt. At støbe hele kuplen uden forme og fjerne al den unødvendige beton bagefter ville skabe et unødvendigt stort materialespild.
”Så vi spurgte os selv: Kan vi 3Dprinte det?” fortæller Holger Koss.
Indlysende løsning. Men en stor udfordring. For det kræver både en beton og en printteknologi, der tillader mere rumlig frihed, end den konventionelle printteknologi med beton tillader i dag. Betonmaterialet er for flydende og hærder for langsomt til, at man kan printe i andre retninger end vertikalt. Julian og Holger har brug for at kunne printe i flere retninger og med buer og udhæng også.
I 2019 blev Julian Christ ansat som ph.d.-forsker på DTU Byg med støtte fra Villum Experiment-programmet, som støtter radikale forskningsidéer, og han kunne fortsætte arbejdet med at finde en løsning. I sit ph.d.-projekt skal han finde og afprøve nye ingredienser, som kan udvindes lokalt på Grønland, og som kan erstatte cementen. Dels for at give betonen de egenskaber, der gør det muligt at printe shelteret, og dels for at finde en mere bæredygtig løsning, hvor man kan udelade cement.
”Mit udgangspunkt er stadig min case fra kandidatprojektet med at opføre et optimeret betonshelter i Grønland. Den mest bæredygtige løsning er at kunne printe med en beton uden cement, for så undgår man den lange transport af cementsække, der heller ikke pynter i et CO2-regnskab. Derfor skal det alternative materiale til cement være en ressource, som er til stede og lettilgængelig i Grønland,” siger Julian Christ, der har afgrænset sin forskning til en liste på 14 forskellige biopolymerer, som er organiske stoffer, der stammer fra enten proteiner eller kulhydrater.
Organiske stoffer erstatter cement
Den hidtil mest lovende ingrediens, som Julian Christ har identificeret og afprøvet, udvindes fra sidestrømme i fødevareindustrien, som de genanvender til at udvinde biopolymerer. En sidestrøm er spildprodukter i en produktion, som typisk bliver regnet som affald.
”Vi har lavet tryktest af beton, hvor cement er erstattet med biopolymerer, og vi har fået ret flotte resultater, hvor biopolymerbetonen er stærkere end konventionel beton,” siger Julian Christ, der udvidede afprøvningen af den nye betontype ved at 3D-printe med den. Resultatet overraskede.
”Vores biopolymerbeton gør det muligt for os at printe i flere retninger,” siger Julian Christ, der dog måtte opfinde og implementere tekniske løsninger til selve 3D-printeren for at få det til at lykkes. En af løsningerne handler om opvarmning af materialet inden print.
”Vi har brug for at få betonen opvarmet inden print for at få den til at flyde godt. Den måde, vi har brug for at opvarme materialet på, findes ikke i nogen af de gængse printere, som vi kunne indkøbe. Så vi måtte selv udvikle den løsning, der kan opvarme materialet. Når materialet er varmt, så er det flydende, og så snart det er kommet ud, så køler det af og hærder ret hurtigt. Det er den primære årsag til, at vi nu kan printe i flere retninger end bare vertikalt,” forklarer ph.d.-forskeren, der ikke kan gå i detaljer om deres teknologiske løsning på opvarmningen af betonen af hensyn til mulig fremtidig patentering.
Relevant for hele verden
Forskerne arbejder på at patentere opskriften på den beton, hvor cement er erstattet med biopolymerer. Selvom de to forskere har gjort store fremskridt på kort tid, ser de stadig en lang vej foran sig, før horisontale 3D-betonprint bliver allemandseje.
”Vi har kun taget de første skridt. Der er stadig mange ting, vi skal have afklaret, eksempelvis omkring udvindingen af biopolymerer, og om det er bedst at høste dem fra plante- eller dyreverdenen, eller om de skal fremstilles syntetisk, samt hvilke biopolymerer der har de bedste flydeegenskaber og er velegnede til print, og hvilke der tilføjer mest styrke i de printede konstruktioner,” siger Julian Christ.
Holger Koss tilføjer en anden vigtig afklaring, som er nødvendig:
”Biopolymerer er organiske materialer og derfor lettere at nedbryde, og der skal vi også have udforsket yderligere, hvordan man beskytter dette materiale mod nedbrydning. Det kan sammenlignes med træ, som jo også er et organisk materiale, men hvor vi har lært, hvordan man beskytter mod for tidlig nedbrydning.”
Selvom den cementfri 3D-betonprint er udviklet med tanke på at realisere et shelter, der kan modstå grønlandske vindforhold, så finder de to forskere det relevant at fortsætte udviklingen af deres idéer, da hele verden kan få glæde af dem. Forskerne ser også relevansen knyttet til en fremtid, hvor der tales om at 3D-printe habitater på Månen eller andre planeter. Uanset om det er på Jorden eller ude i rummet, så mener forskerne, at mennesket kan blive bedre til at genanvende og udnytte ressourcer, der kan findes lokalt. Holger Koss uddyber:
”En cementfri beton vil altid være interessant, da det er en mere bæredygtig løsning. Det er også relevant for mange lande at udnytte ressourcer lokalt – ikke kun for Grønland. Grønland var blot vores afsæt. Anvendelse og genanvendelse af lokale materialer og at bygge optimale konstruktioner med så få materialer som muligt er relevant for alle i verden.”