يمكن للخرسانة المطبوعة ثلاثية الأبعاد أن تجعل البناء صديقًا للمناخ

قام فريق من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا بتطوير طريقة جديدة لطباعة الهياكل الخرسانية ثلاثية الأبعاد، وهي تقنية يمكن أن تقلل في الوقت نفسه من استخدام المواد والتكاليف وانبعاثات ثاني أكسيد الكربون الضارة بالمناخ. في حين أن الهياكل الخرسانية المطبوعة ثلاثية الأبعاد موجودة بالفعل في العالم، فإن الأنظمة الحالية غير محسنة على الإطلاق. ومع ذلك، عانت المحاولات السابقة للتحسين من كونها مثالية للغاية. وهذا يعني أن المخططات التي تم إنشاؤها خوارزميًا كانت مخصصة للظروف المثالية التي لا يمكن للطابعات الواقعية ذات الكعب العالي أن تصنعها أبدًا. ما فعله فريق معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا هو تطوير خوارزمية جديدة، تعتمد على حسابات رياضية أكثر تعقيدًا، والتي يمكن أن تأخذ في الاعتبار الفوضى أثناء اكتشاف التصميم المثالي الواقعي. والنتيجة الأولى التي توصلوا إليها هي نموذج جسر أخف بنسبة 16% من نظيره التقليدي، وبنفس سعة التحميل.

وهذا مهم، لأن البشرية بالتأكيد تستخدم الكثير من الخرسانة. كما هو الحال في أننا نستخدم الخرسانة أكثر من أي مادة أخرى على وجه الأرض، باستثناء الماء نفسه. ولكن من أجل جعل كل ذلك ملموساً، يتم إطلاق كمية هائلة من ثاني أكسيد الكربون إلى الغلاف الجوي: 8% من إجمالي انبعاثات ثاني أكسيد الكربون، في الواقع، تأتي من هذه العملية وحدها. لذا فإن أي خفض لانبعاثات ثاني أكسيد الكربون الناتجة عن إنتاج الخرسانة سيكون بمثابة خطوة كبيرة في مكافحة تغير المناخ. أشارت الأبحاث السابقة إلى أن الخرسانة المطبوعة ثلاثية الأبعاد وفرت 86% من الانبعاثات مقارنة بالعملية التقليدية. وهذا ناهيك عن المدخرات المادية! موارد أقل، تكلفة أقل، وزن أقل، كربون أقل. بالتأكيد يبدو جيدا بالنسبة لي. كان أحد العوائق الرئيسية أمام التبني على نطاق واسع هو الفجوة بين التصميمات المثالية والطابعات الفعلية. إذا تمكنت هذه الطريقة الجديدة من سد الفجوة، فستنفتح بعض الاحتمالات المثيرة للغاية.

تتضمن الطريقة الجديدة الرياضيات التي تقوم عليها البرامج التي تقوم بإنشاء المخططات. كما هو موضح في التقرير التقني للفريق ونشرته أخبار معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، لم تتمكن النماذج القديمة ببساطة من التقاط عيوب الطابعة، وهو ما أدى إلى تصميمات مثالية للغاية. الطابعات لديها قيود مثل حجم الخرز الخرساني الذي تضعه، ونصف قطر دوران الفوهة، وانحناء (أو عدمه) لخطوط الخرز. الزوايا الحادة، على وجه الخصوص، ليست شيئًا تجيده الطابعات. ولتجميع كل ذلك بالأرقام، هناك تقنية رياضية تسمى برمجة الأعداد الصحيحة المختلطة والتي يمكن أن تنجح، ولكنها مكثفة حسابيًا لدرجة أنها لم تكن مجدية. ما تغير، وما جلبه فريق معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا إلى الطاولة الملموسة، كان بعض الابتكارات الحديثة في كيفية الحساب لهذه التقنية. هناك قدر لا بأس به من السحر الذكي للغاية هنا، ولكن النتيجة النهائية هي أنه من الممكن الآن استنتاج التصميمات المثالية المقيدة بما يمكن للطابعة أن تصنعه بالفعل.

هناك الكثير مما يعجبك هنا، لكنه يتحسن. تقليديًا، بمجرد تصنيع الخرسانة، يجب صبها في قالب. إن صنع القالب هو في حد ذاته عملية غير تافهة، ويثبت المنتج النهائي في شكل محدد للغاية. ماذا لو كنت تريد إجراء تغيير سريع على الشكل؟ أو ماذا لو كنت تريد إنشاء شكل معقد مرة واحدة فقط، الأمر الذي سيكون غير اقتصادي لبناء قالب كامل له؟ لا تتطلب الطباعة ثلاثية الأبعاد أيًا من هذا، لأنها مجرد وضع حبات من الخرسانة من الفوهة. اصنع أي شكل مجنون تريده، وقم بإجراء تغييرات سريعة، وافعل ما تريد. مرة أخرى، مع توفير الموارد والتكلفة والانبعاثات.

لكننا لم نصل بعد إلى عصر ذهبي جديد (أو رمادي باهت) جديد. يجب إجراء المزيد من الاختبارات، ويجب توسيع نطاق هذه الطريقة. كان طول الجسر التجريبي أقل من 8 أقدام ووزنه 900 رطل فقط. البنية التحتية الفعلية ستكون أكثر قليلاً من ذلك. بالإضافة إلى ذلك، فإن الخرسانة النقية لها حدود من حيث اتجاه القوة التي تتحملها؛ من جهة، هو جسر عظيم، ولكن من جهة أخرى، فهو عبارة عن ندفة ثلج صغيرة هشة تتشقق بسهولة. (في الواقع، تصدع جسر الاختبار عندما حاول شخص ما رفعه). ولهذا السبب يتم تعزيز الخرسانة الحقيقية بحديد التسليح. ولم تتوصل أي رياضيات خيالية إلى كيفية طباعة حديد التسليح ثلاثي الأبعاد، أو حتى إضافة حديد التسليح يدويًا إلى عملية الطباعة ثلاثية الأبعاد. ومع ذلك، يظل هذا تقدمًا حقيقيًا ومثيرًا.