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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了巨大的機會，創(chuàng)新的新材料和設(shè)計方法可以顯著減少建筑物的碳足跡。

來自魏茨曼建筑學院和賓夕法尼亞工程學院的多學科研究團隊正在努力開發(fā)“3D打印碳吸收碳儲存混凝土結(jié)構(gòu)”，這是一種新的建筑系統(tǒng)，可以在混凝土結(jié)構(gòu)的各個方面減少碳排放。它將減少隱含碳（用于生產(chǎn)材料、運輸材料和建造建筑物的能源）和運營碳（加熱和冷卻建筑物所需的能源）。他們的計劃是讓全球的建筑商輕松獲得它。

研究團隊表示，為了實現(xiàn)負碳建筑，必須考慮建筑功能的多個方面，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營績效。

研究團隊開發(fā)的碳吸收和儲存系統(tǒng)的效果圖

他們的目標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，該團隊正在探索柱子、梁和板的理想形狀，這些形狀可以產(chǎn)生熱質(zhì)量來被動加熱和冷卻內(nèi)部。在此過程中，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，同時產(chǎn)生更多的溫度調(diào)節(jié)，并且無需持續(xù)使用能源來調(diào)節(jié)建筑物。

賓夕法尼亞工程學院材料科學與工程系主任 Shu Yang 正在開發(fā)一種碳吸收和儲存混凝土。Yang 的新配方將從空氣中去除碳，并在制造過程中捕獲碳。該團隊正在尋求開發(fā)一種新的混合物，部分替代水泥，以實現(xiàn)最佳的碳減排效益和熱性能。該項目是Shu Yang在親自然設(shè)計和工程中的一個工作延伸，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，該團隊正在開發(fā)新配方的具體原型以及各種設(shè)計方案。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)計以最少的啟動和停止生成。

該團隊由首席研究員 Masoud Akbarzadeh 領(lǐng)導，他是 Weitzman 建筑學副教授兼多面體結(jié)構(gòu)實驗室 （PSL）和共同研究員 Dorit Aviv，他是熱架構(gòu)實驗室 （TAL） 的負責人。

2022 年，他們從美國能源部高級研究計劃署能源部 （ARPA-E） 獲得了 240 萬美元的資金，作為其利用排放到從大氣中吸收碳的結(jié)構(gòu) （HESTIA） 計劃的一部分，該計劃支持碳匯的研究，或從大氣中吸收的碳多于施工過程中釋放的碳的建筑物。從那時起，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。

這項目由來自德克薩斯 A&M 大學、紐約城市學院、費城建筑公司 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)作進行。由建筑師和工程師組成的多機構(gòu)團隊反映了該項目的雄心壯志，即在建筑過程的所有方面尋求對典型基準的改進：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估，包括材料生產(chǎn)、運輸、施工和 100 多年來的熱性能中的碳使用。

Dorit Aviv 是賓夕法尼亞工程學院建筑系的一名教員，領(lǐng)導熱建筑實驗室 （TAL），她和一組學生正在探索被動加熱和冷卻設(shè)計策略，以減少運營能源的使用。他們正在努力了解 PSL 設(shè)計的混凝土板原型如何充當熱質(zhì)量，在與自然通風相結(jié)合時提供舒適的室內(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。

魏茨曼建筑學院研究人員在混凝土的3D打印過程中嵌入溫度傳感器，以便通過實驗評估板在氣候室中的性能。

TAL 團隊在一個特殊的氣候室內(nèi)測試房間規(guī)模的板模型。當打印的混凝土固化時，他們在內(nèi)部放置傳感器來指示板內(nèi)的內(nèi)部溫度，并使用計算流體動力學和能量建模來預測不同板設(shè)計的性能并提出改進建議。

3D打印碳吸收碳儲存混凝土結(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空存在展覽的一部分。（Diamanti 在意大利語中是 Diamonds 的意思，這是系統(tǒng)的基本幾何形狀）。

最終，Akbarzadeh 的目標是將這些創(chuàng)新作為預制的3D打印梁和帶肋的地板拱門引入建筑市場。他的實驗室的工作不僅限于重新構(gòu)想混凝土。PSL 還在開發(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 和他的團隊計劃在紐約康寧玻璃博物館推出原型。