Xu thế kiến trúc xanh và cuộc đua vật liệu xây dựng bền vững

Theo đo lường của Hội đồng Công trình xanh Thế giới (WGBC), công trình xanh sử dụng ít hơn 26% năng lượng, ít hơn 13% chi phí bảo trì và phát thải ít hơn 33% khí nhà kính… so với công trình thương mại thông thường. Trong bối cảnh thế giới đang đối mặt với biến đổi khí hậu, kiến trúc xanh đang trở thành xu thế tất yếu và được hưởng ứng trên toàn cầu.

Tại Đại học Colorado Boulder (Mỹ), phòng thí nghiệm Vật liệu Sống mới đây đã nghiên cứu ra một loại vật liệu xây dựng mới không chứa xi măng và có thể tái chế hoàn toàn. Nhóm nghiên cứu đã sử dụng vi khuẩn lam, loại vi sinh vật màu xanh lục tương tự như tảo (sử dụng CO2 và ánh sáng mặt trời để phát triển) để sản xuất xi măng sinh học giúp cô lập CO2 trong cấu trúc. 

Khai thác đặc tính sinh sôi theo cấp số nhân của vi khuẩn, các nhà nghiên cứu đã phát triển thành các khối vật liệu xây dựng bằng một phương pháp sản xuất tiềm năng mới với việc bồi đắp khối cấu trúc bằng sinh trưởng hữu cơ. Công nghệ này đã được công ty Biomason ứng dụng trong sản phẩm xi măng thương mại mang tên Biocement, từ đó tạo ra những công trình xây dựng bền vững từ vật liệu sinh học, an toàn và thân thiện với môi trường tự nhiên. 

Tương tự, tại Học viện Bách khoa Worcester, một trong những trường đại học kỹ thuật và công nghệ đầu tiên của Hoa Kỳ, các nhà nghiên cứu đã phát triển một loại bê tông tự phục hồi biến CO2 trong khí quyển thành các tinh thể canxi cacbonat, có khả năng bịt kín các vết nứt nhỏ cỡ milimet và ngăn ngừa sự hư hại và hao mòn vật liệu.

Không giống như các thí nghiệm với bê tông tự phục hồi bằng cách sử dụng vi khuẩn, quá trình này nhanh hơn và không gây ra bất kỳ vấn đề nào về an toàn xây dựng và an toàn sinh học. Loại bê tông tự phục hồi đặc biệt này còn có độ bền gấp 4 lần bê tông truyền thống, từ đó kéo dài tuổi thọ của công trình xây dựng và tiết kiệm chi phí sửa chữa, bảo dưỡng. 

Trong khi đó, phòng thí nghiệm Nghiên cứu Thiết kế tích hợp tại Đại học Bắc Carolina Charlotte (Mỹ) đã phát triển một hệ thống mặt tiền vi tảo có tên Biochromic Window, với khả năng có thể thay đổi linh hoạt để cải thiện chất lượng không khí trong nhà và sản xuất năng lượng tái tạo thông qua các bộ phản ứng quang học tích hợp.

Với Biochromic Window, không khí được đưa vào trong hệ thống mặt tiền sau đó, oxy do tảo tạo ra được đưa vào hệ thống HVAC của tòa nhà. Tảo tươi thường xuyên được bổ sung vào hệ thống, và những cây tảo đã hấp thụ carbon sẽ chìm xuống dưới đáy, sau đó được chuyển đến một bộ phận chuyển hóa chúng thành nhiên liệu sinh học. Hệ thống đã được điều chỉnh và phát triển để sử dụng cho mục đích thương mại.

Một nghiên cứu của nhóm các nhà khoa học Úc mới đây vừa phát hiện một ứng dụng thực tiễn đáng kinh ngạc từ bã cà phê thừa. Bằng cách xử lý và thêm bã cà phê cháy vào hỗn hợp bê tông có thể tạo ra một loại bê tông có sức bền vững hơn 30% so với bê tông thông thường. Công thức thông minh này không chỉ giúp cải thiện chất lượng bê tông mà còn có thể giải quyết nhiều vấn đề môi trường cùng lúc.

Mỗi năm, thế giới tạo ra khoảng 10 tỷ kilogram (22 tỷ pound) chất thải từ cà phê. Phần lớn trong số này bị chôn lấp tại các bãi rác. Tuy nhiên, bã cà phê hữu cơ không thể được thêm trực tiếp vào bê tông vì chúng giải phóng các hóa chất làm yếu đi mức độ bền vững của vật liệu này. Vì vậy, nhóm nghiên cứu đã sử dụng nhiệt độ thấp để đốt cháy bã cà phê ở nhiệt độ hơn 350°C (khoảng 660°F) trong môi trường thiếu oxy.

Quá trình nhiệt phân này sẽ giúp phá vỡ các phân tử hữu cơ, tạo ra một loại than sinh học xốp và giàu carbon, có thể liên kết với và hòa nhập vào ma trận xi măng. Ngoài bã cà phê, nhóm nghiên cứu cũng đang tìm cách sản xuất loại than sinh học này từ các nguồn chất thải hữu cơ khác như gỗ, thực phẩm và chất thải nông nghiệp, theo Science Alert.

Thậm chí, một nghiên cứu mang tên “Puzzle Materials” của nữ tiến sĩ người Áo Notburga Gierlinger mới đây đã công bố cách tạo ra các vật liệu chức năng phục vụ cho các ứng dụng công nghiệp từ vỏ cứng của các loại hạt như hạt óc chó và hạt dẻ cười. Một trong những nghiên cứu quan trọng của bà Gierlinger là việc sử dụng kỹ thuật hình ảnh Raman để nghiên cứu sự phân bố của lignin, cellulose và các phân tử sinh học khác trong thành tế bào thực vật.

Theo FAIReconomics, trong khuôn khổ dự án nghiên cứu Scatapnut kéo dài 5 năm, được EU tài trợ, bà Gierlinger và nhóm nghiên cứu đã phát hiện rằng vỏ hạt dẻ cười và óc chó chứa các tế bào xếp chồng 3D – những tế bào có cấu trúc liên kết độc đáo giống như các mảnh ghép của trò chơi ghép hình. Cấu trúc này chính là yếu tố giúp vỏ hạt có độ bền và độ cứng vượt trội.

Đề xuất của bà Gierlinger sử dụng vỏ hạt, cũng là một loại chất thải hiện nay, để tạo ra vật liệu mới có thể thay thế nhựa, mang lại lợi ích kép cho môi trường, phù hợp với khuôn khổ "an toàn và bền vững ngay từ khâu thiết kế" của châu Âu, được phát triển để hướng dẫn đổi mới trong các vật liệu an toàn và bền vững.

Bà Gierlinger và nhóm nghiên cứu hiện đang tìm kiếm cách thức xử lý vỏ hạt bỏ đi sao cho vừa hiệu quả, vừa thân thiện với môi trường. Quá trình bắt đầu bằng việc hòa tan vỏ óc chó trong dung môi để tách các tế bào và tái tạo lignin. Cellulose từ phế phẩm trong quá trình sản xuất kombucha hoặc bioreactor cũng được thêm vào khối lượng thu được, tùy theo độ dẻo của sản phẩm cuối cùng.

Nhóm nghiên cứu đang thử nghiệm với nhiều loại vật liệu hạt khác nhau, bao gồm các sản phẩm giống da và nhựa. Mục tiêu là tạo ra vật liệu hạt bền vững, tiết kiệm năng lượng và tài nguyên, có thể phân hủy sinh học, với lượng khí thải carbon thấp. Bà Gierlinger cũng nhấn mạnh rằng vật liệu có thể được ủ làm phân bón nếu cần thiết, mặc dù bà ưu tiên tái sử dụng và tái chế trước. Mục tiêu tiếp theo của nhóm là đưa các vật liệu này vào sản xuất.

Việc theo đuổi tính bền vững và đổi mới đã tạo điều kiện cho sự hợp nhất tuyệt vời trong sáng tạo ở ngành xây dựng vốn luôn thay đổi. Do nhận thức ngày càng tăng về các vấn đề môi trường và nhu cầu cấp bách về các biện pháp giảm thiểu biến đổi khí hậu, kiến ​​trúc sư ngày càng sử dụng nhiều những vật liệu giúp hạn chế cạn kiệt tài nguyên, lượng khí thải carbon và lượng rác thải trong suốt vòng đời của chúng. Đối với kiến ​​trúc sư, việc đặt tính bền vững lên hàng đầu trong thiết kế và xây dựng công trình có thể giảm thiểu dấu chân sinh thái, bên cạnh đó còn tạo ra những cộng đồng lành mạnh hơn, bền vững hơn cho thế hệ tương lai.