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混凝土是世界上使用量第二大的材料，僅次于水。占全球碳排放量的約 8%僅來(lái)自水泥的制造，而水泥是混凝土的關(guān)鍵成分。這種巨大的影響也帶來(lái)了巨大的機(jī)會(huì)，創(chuàng)新的新材料和設(shè)計(jì)方法可以顯著減少建筑物的碳足跡。

來(lái)自魏茨曼建筑學(xué)院和賓夕法尼亞工程學(xué)院的多學(xué)科研究團(tuán)隊(duì)正在努力開(kāi)發(fā)“3D打印碳吸收碳儲(chǔ)存混凝土結(jié)構(gòu)”，這是一種新的建筑系統(tǒng)，可以在混凝土結(jié)構(gòu)的各個(gè)方面減少碳排放。它將減少隱含碳（用于生產(chǎn)材料、運(yùn)輸材料和建造建筑物的能源）和運(yùn)營(yíng)碳（加熱和冷卻建筑物所需的能源）。他們的計(jì)劃是讓全球的建筑商輕松獲得它。

研究團(tuán)隊(duì)表示，為了實(shí)現(xiàn)負(fù)碳建筑，必須考慮建筑功能的多個(gè)方面，包括查看減少隱含碳的材料量、用于碳捕獲的混凝土混合物以及減少能源使用的運(yùn)營(yíng)績(jī)效。

研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的碳吸收和儲(chǔ)存系統(tǒng)的效果圖

他們的目標(biāo)是找到最有效的幾何形狀，以最大限度地減少所需材料的數(shù)量，從而減少隱含碳和建筑垃圾。此外，該團(tuán)隊(duì)正在探索柱子、梁和板的理想形狀，這些形狀可以產(chǎn)生熱質(zhì)量來(lái)被動(dòng)加熱和冷卻內(nèi)部。在此過(guò)程中，他們正在創(chuàng)建具有非常大表面積的幾何形狀，這有助于從空氣中吸收更多的碳，同時(shí)產(chǎn)生更多的溫度調(diào)節(jié)，并且無(wú)需持續(xù)使用能源來(lái)調(diào)節(jié)建筑物。

賓夕法尼亞工程學(xué)院材料科學(xué)與工程系主任 Shu Yang 正在開(kāi)發(fā)一種碳吸收和儲(chǔ)存混凝土。Yang 的新配方將從空氣中去除碳，并在制造過(guò)程中捕獲碳。該團(tuán)隊(duì)正在尋求開(kāi)發(fā)一種新的混合物，部分替代水泥，以實(shí)現(xiàn)最佳的碳減排效益和熱性能。該項(xiàng)目是Shu Yang在親自然設(shè)計(jì)和工程中的一個(gè)工作延伸，尋求更有效且能源密集度更低的解決方案，包括可以從空氣中吸水的材料。

為了最大限度地減少材料使用和最大化表面積，該團(tuán)隊(duì)正在開(kāi)發(fā)新配方的具體原型以及各種設(shè)計(jì)方案。高效的 3D 打印組件和后張技術(shù)減少了所需的建筑材料數(shù)量和產(chǎn)生的廢物。優(yōu)化的自支撐設(shè)計(jì)以最少的啟動(dòng)和停止生成。

該團(tuán)隊(duì)由首席研究員 Masoud Akbarzadeh 領(lǐng)導(dǎo)，他是 Weitzman 建筑學(xué)副教授兼多面體結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室 （PSL）和共同研究員 Dorit Aviv，他是熱架構(gòu)實(shí)驗(yàn)室 （TAL） 的負(fù)責(zé)人。

2022 年，他們從美國(guó)能源部高級(jí)研究計(jì)劃署能源部 （ARPA-E） 獲得了 240 萬(wàn)美元的資金，作為其利用排放到從大氣中吸收碳的結(jié)構(gòu) （HESTIA） 計(jì)劃的一部分，該計(jì)劃支持碳匯的研究，或從大氣中吸收的碳多于施工過(guò)程中釋放的碳的建筑物。從那時(shí)起，他們一直在探索如何優(yōu)化由新型碳吸收混凝土混合物制成的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，這種混凝土混合物將捕獲碳并從空氣中去除碳。

這項(xiàng)目由來(lái)自德克薩斯 A&M 大學(xué)、紐約城市學(xué)院、費(fèi)城建筑公司 KieranTimberlake 和世界上最大的建筑材料制造商之一Sika的研究人員協(xié)作進(jìn)行。由建筑師和工程師組成的多機(jī)構(gòu)團(tuán)隊(duì)反映了該項(xiàng)目的雄心壯志，即在建筑過(guò)程的所有方面尋求對(duì)典型基準(zhǔn)的改進(jìn)：結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、混凝土配方、施工方法、制造工藝和生命周期評(píng)估，包括材料生產(chǎn)、運(yùn)輸、施工和 100 多年來(lái)的熱性能中的碳使用。

Dorit Aviv 是賓夕法尼亞工程學(xué)院建筑系的一名教員，領(lǐng)導(dǎo)熱建筑實(shí)驗(yàn)室 （TAL），她和一組學(xué)生正在探索被動(dòng)加熱和冷卻設(shè)計(jì)策略，以減少運(yùn)營(yíng)能源的使用。他們正在努力了解 PSL 設(shè)計(jì)的混凝土板原型如何充當(dāng)熱質(zhì)量，在與自然通風(fēng)相結(jié)合時(shí)提供舒適的室內(nèi)溫度。打印混凝土表面積的增加不僅有助于從大氣中封存更多的碳，而且還增加了熱量的吸收和釋放，使板的熱質(zhì)量更加有效。

魏茨曼建筑學(xué)院研究人員在混凝土的3D打印過(guò)程中嵌入溫度傳感器，以便通過(guò)實(shí)驗(yàn)評(píng)估板在氣候室中的性能。

TAL 團(tuán)隊(duì)在一個(gè)特殊的氣候室內(nèi)測(cè)試房間規(guī)模的板模型。當(dāng)打印的混凝土固化時(shí)，他們?cè)趦?nèi)部放置傳感器來(lái)指示板內(nèi)的內(nèi)部溫度，并使用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)和能量建模來(lái)預(yù)測(cè)不同板設(shè)計(jì)的性能并提出改進(jìn)建議。

3D打印碳吸收碳儲(chǔ)存混凝土結(jié)構(gòu)的早期版本于 2023 年作為 Diamanti 首次向公眾展示，這是意大利威尼斯 Palazzo Bembo 的大型原型，作為威尼斯建筑雙年展期間時(shí)空存在展覽的一部分。（Diamanti 在意大利語(yǔ)中是 Diamonds 的意思，這是系統(tǒng)的基本幾何形狀）。

最終，Akbarzadeh 的目標(biāo)是將這些創(chuàng)新作為預(yù)制的3D打印梁和帶肋的地板拱門(mén)引入建筑市場(chǎng)。他的實(shí)驗(yàn)室的工作不僅限于重新構(gòu)想混凝土。PSL 還在開(kāi)發(fā)使用玻璃作為一種新型輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，以優(yōu)化性能并增加結(jié)構(gòu)跨度。11 月，Akbarzadeh 和他的團(tuán)隊(duì)計(jì)劃在紐約康寧玻璃博物館推出原型。