مهندسی مجدد چوب برای به چالش کشیدن فولاد و بتن
به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، مردم هزاران سال است که در حال شکل دادن به دنیای اطراف خود هستند. چیزی که به عنوان یک پاسخ ساده به نیاز به سرپناه آغاز شد، از آن زمان به یکی از صنایع تعیین‌کننده تمدن تبدیل شده است: ساخت و ساز.
اما ساخت و ساز هرگز فقط مربوط به سازه‌ها نبوده است. مصالح همیشه اهمیت داشته‌اند و با نبوغ بشر تکامل یافته‌اند. سازندگان اولیه به چوب، سنگ و خاک رس متکی بودند. رومی‌ها بتن را با مخلوط کردن آهک و سنگ آتشفشانی در ملاتی که ساخت و ساز انبوه را ممکن می‌ساخت، تکمیل کردند. هر دوره‌ای مصالح قوی‌تر و متنوع‌تری را برای برآوردن نیاز‌های خود معرفی کرد.
امروزه، چالش متفاوت است: بخش ساخت و ساز ۳۷ درصد از انتشار گاز‌های گلخانه‌ای جهانی را تشکیل می‌دهد، بیش از هر صنعت دیگری. مهندسان و معماران تحت فشار هستند تا سازه‌های هوشمندتر و پایدارتری بسازند؛ و در این تلاش، یکی از قدیمی‌ترین مواد بشریت، چوب، در حال بازگشت است و به چیزی جدید مهندسی مجدد شده است: ابرچوب.
یک ماده آشنا
شرکت InventWood مستقر در مریلند، فرآیندی را توسعه داده است که چوب معمولی را در سطح مولکولی تغییر شکل می‌دهد و آن را ۱۲ برابر قوی‌تر و ۱۰ برابر بادوام‌تر از شکل طبیعی‌اش می‌کند. الکس لاو، مدیرعامل این شرکت گفت: این پروژه در سال ۲۰۱۸ با الهام از تحقیقات دانشگاه مریلند به رهبری دکتر لیانگبینگ هو آغاز شد.
با الهام از ظرافت این راه‌حل، لاو به هو و تیمش پیوست و متوجه شد که طبیعت از قبل پاسخ تغییرات اقلیمی را در خود دارد. نانوکریستال‌های سلولز در گیاهان از فیبر کربن قوی‌تر هستند، با این حال به دلیل ساختار متخلخل مورد نیاز برای رشد، استحکام آنها تنها در حدود یک درصد محقق می‌شود.
لاو به IE گفت: «به جای اختراع مواد مصنوعی جدید با زنجیره‌های تأمین پیچیده و بده‌بستان‌های زیست‌محیطی، ما در حال بهبود چیزی بودیم که طبیعت طی میلیارد‌ها سال بهینه کرده بود.» برای غلبه بر محدودیت‌های روش‌های قبلی مانند تصفیه بخار، پردازش حرارتی یا نورد سرد، تیم چوب را در مقیاس مولکولی مهندسی مجدد کرد و SUPERWOOD را ایجاد کرد.
نحوه ساخت SUPERWOOD لاو توضیح می‌دهد که این ماده نه تنها پایداری چوب را حفظ می‌کند، بلکه با ظاهر و مقاومت مکانیکی سایر محصولات پیشرفته نیز مطابقت دارد. او فاش می‌کند: «ما نیاز به ایجاد فرآیندی داشتیم که زیبایی و پایداری طبیعی چوب را حفظ کند و در عین حال ویژگی‌های عملکردی را که می‌توانند با مواد مصنوعی رقابت کنند یا از آنها پیشی بگیرند، آشکار کند.
در حالی که تکنیک‌ها و پارامتر‌های خاص همچنان اختصاصی هستند، مدیرعامل موافقت کرد که به اشتراک بگذارد تبدیل چوب معمولی به SUPERWOOD شامل یک فرآیند دو مرحله‌ای است: بازسازی مولکولی و تراکم. لاو ادامه می‌دهد: «ما با یک فرآیند پخت شروع می‌کنیم که در آن چوب در یک حمام شیمیایی تیمار می‌شود.
این تیمار با دقت کنترل‌شده، لیگنین را اصلاح می‌کند و همی سلولز را به طور انتخابی حذف می‌کند، اساساً «چسبی» که الیاف چوب را در حالت طبیعی خود در کنار هم نگه می‌دارد.» مرحله دوم شامل تراکم دقیق از طریق روشی به نام پرس گرم است. چوب تیمار شده با مواد شیمیایی با اعمال فشار و حرارت کنترل‌شده دقیق تا زمانی که دیواره‌های سلولی آن فرو بریزند، فشرده می‌شود. این منجر به تراکم تقریباً بهینه ساختار طبیعی می‌شود.
لاو می‌گوید: «این فرآیند چگالی چوب را تا چهار برابر حالت اولیه آن افزایش می‌دهد و در عین حال نانوفیبر‌های سلولزی بسیار هم‌تراز را حفظ می‌کند.» وی افزود که الیاف سلولز آنقدر به هم نزدیک می‌شوند که پیوند‌های شیمیایی جدیدی تشکیل می‌دهند. «همان نوعی که به آب خواص منحصر‌به‌فرد خود را می‌دهد.» InventWood یک مرکز ۹۰۰۰۰ فوت مربعی با یک خط تولید ساخته شده برای تولید در مقیاس تجاری را اداره می‌کند. این سایت که در فردریک، مریلند واقع شده است، مجهز به مخازن مخصوص عملیات شیمیایی و پرس‌های دقیق است.
لاو توضیح می‌دهد: «ما می‌توانیم مراحل تکمیلی اختیاری مانند صیقل دادن، شکل‌دهی یا پوشش‌دهی را برای برآورده کردن الزامات خاص طراحی و کاربرد اضافه کنیم.» طبق گزارش‌ها، این شرکت بیش از ۱۹ گونه مختلف چوب را آزمایش کرده است.
مدیرعامل توضیح می‌دهد: «نکته قابل توجه این است که این فرآیند در مورد هر گونه چوبی که آزمایش کرده‌ایم، و همچنین بامبو، مؤثر است.» و می‌افزاید که تولید اولیه آنها از صنوبر‌های بازیافتی منطقه استفاده می‌کند. از آزمایشگاه تا مقیاس بزرگ این شرکت با استفاده از قطعات غیراقتصادی درختان و منابع جنگلی کم‌ارزش، قصد دارد بوم‌شناسی جنگل را بهبود بخشد، ارزش اکوسیستم را افزایش دهد و از جوامع روستایی حمایت کند. با این حال، تبدیل یک دستاورد آزمایشگاهی به یک محصول تجاری قابل اجرا، کار کوچکی نیست.
لاو امیدوار است که کارخانه فردریک، که در حال حاضر در مرحله نهایی راه‌اندازی خود است، بتواند سالانه بیش از یک میلیون فوت مربع SUPERWOOD را با ظرفیت کامل تولید کند. انتظار می‌رود یک مرکز جدید که از قبل برنامه‌ریزی شده است، بیش از ۲۰ برابر این مقدار تولید کند. مدیرعامل تأکید می‌کند که فرآیند تولید ذاتاً از نظر انرژی کارآمد است، به خصوص در مقایسه با فولاد، آلومینیوم یا فیبر کربن.
او تأکید می‌کند: «در حالی که فولاد به دمای ۱۸۰۰ درجه سانتیگراد نیاز دارد، ما در دمای کمتر از ۲۰۰ درجه سانتیگراد کار می‌کنیم.» و می‌افزاید در حالی که آهن و زغال سنگ مسافت‌های طولانی را برای رسیدن به کارخانه‌های فولاد طی می‌کنند، درختان به صورت محلی فراوان هستند و معمولاً کمی بیش از ۶۲ مایل تا کارخانه اره‌کشی سفر می‌کنند. پل هاوکن، فعال محیط زیست و کارآفرین آمریکایی، در مصاحبه‌ای با IE، SUPERWOOD را ستود و آن را «برتر از موادی که جایگزین آنها می‌شود» خواند.
او می‌گوید فولاد، آلومینیوم، چوب تجاری، چوب‌های چندلایه چسب‌دار (گلولام) و چوب‌های حجیم، همگی هزینه‌های زیست‌محیطی قابل توجهی دارند که سوپروود از آنها اجتناب می‌کند.
هاوکن توضیح می‌دهد: «سوپروود تنها مصالح ساختمانی است که برخلاف سایر مصالح ساختمانی، ماده‌ای CDR (حذف‌کننده دی‌اکسید کربن) است. یک سایدینگ سوپروود به طول ۱۶ فوت، ۱۱ کیلوگرم دی‌اکسید کربن را در مقایسه با ۳.۱ کیلوگرم چوب معمولی جذب می‌کند.» مزیت کربنی تولید فولاد تقریباً ۱.۸ تن دی‌اکسید کربن برای هر تن ماده ساخته شده آزاد می‌کند و آلومینیوم بیش از ۱۱ تن تولید می‌کند. در همین حال، تولید یک تن سوپروود تنها ۰.۴ تن دی‌اکسید کربن آزاد می‌کند.
لاو توضیح می‌دهد که وقتی استحکام آن را در نظر بگیرید، کاهش ده برابری در انتشار گاز‌های گلخانه‌ای وجود دارد. او ادامه می‌دهد: «علاوه بر این، سوپروود تا ۱.۵ تن دی‌اکسید کربن در هر تن جذب می‌کند و آن را به یک جاذب کربن خالص تبدیل می‌کند.» در همین حال، این شرکت ضایعات چوب را نیز هدف قرار داده است.
لاو اظهار می‌کند: ضایعات ساختمانی، بقایای کارخانه‌ها و حتی ضایعات چوب شهری می‌توانند به طور بالقوه به سوپروود تبدیل شوند. سوپروود همچنین فرضیات سنتی در مورد چوب را به چالش می‌کشد. به دلیل ساختار متراکم آن، این ماده برای نما‌های خارجی، کف یا دیوار و سایر کاربرد‌هایی که در حال حاضر چوب در آنها محدود است، نیز مناسب است. علاوه بر این، سوپروود افزایش مقاومت و سختی چهار تا ۲۰ برابر بیشتر از چوب طبیعی را نشان می‌دهد. مقاومت آن در برابر فرورفتگی، که با مقیاس سختی جانکا اندازه‌گیری می‌شود، حدود سه تا ۱۰ برابر بیشتر از چوب‌های معمولی است.
هاوکن با توضیح اینکه اگرچه به صورت سطحی زغال می‌شود، اما همچنان در آتش خود خاموش می‌شود، خاطرنشان می‌کند: سوپروود تا ۵۰ درصد از فولاد قوی‌تر، ۸۰ درصد سبک‌تر و مقاوم در برابر آتش کلاس A (ASTM E۸۴) است. برخلاف فولاد که ۵۰ درصد از مقاومت کششی خود را در دمای ۵۰۰ درجه سانتیگراد از دست می‌دهد، سوپروود مقاومت خود را حفظ می‌کند. ساختار سلولزی متراکم همچنین به مقاومت در برابر آتش کمک می‌کند، زیرا حفره‌های هوا و ساختار شکننده‌ای را که معمولاً در چوب طبیعی از احتراق پشتیبانی و آن را تحریک می‌کنند، فراهم نمی‌کند.
لاو ادامه می‌دهد. به سوی پذیرش این شرکت اکنون در حال پیگیری گواهینامه رتبه‌بندی آتش ASTM کلاس A است و قصد دارد در مرحله بعد گواهینامه NFPA ۲۸۵ را نیز دریافت کند. این تأییدیه‌ها معماران و توسعه‌دهندگان را قادر می‌سازد تا از SUPERWOOD به عنوان روکش در ساختمان‌های بلندتر استفاده کنند.
علاوه بر این، این شرکت در کنار شرکای صنعتی و آزمایشگاه‌های مستقل، آزمایش‌هایی را برای اعتبارسنجی فناوری و عملکرد آن انجام داده است. «این تحقیق به طور مستقل تأیید و به طور گسترده در ادبیات علمی ذکر شده است، و بیش از ۱۲۰۰ استناد به مقاله اصلی ما در Nature به تنهایی وجود دارد.» با این حال، همه محصولات یکسان نیستند.
لاو توضیح می‌دهد: «آزمایش‌های ما نشان می‌دهد که مقاومت SUPERWOOD بسته به کاربرد خاص و پارامتر‌های پردازش، می‌تواند از ۳۰۰ تا ۶۰۰ مگاپاسکال متغیر باشد و ویژگی‌های محصول بسته به کاربرد مورد نظر متفاوت است.
این شرکت با چندین پروژه در حال توسعه، در ابتدا بر روی کاربرد‌های سایدینگ، عرشه‌سازی و حصارکشی تمرکز دارد و در حال حاضر مناطقی مانند کالیفرنیا را که به شدت تحت تأثیر آتش‌سوزی‌های جنگلی قرار گرفته‌اند، در اولویت قرار می‌دهد.
با این حال، هاوکن خاطرنشان می‌کند که ادغام طراحی یکی از بزرگترین چالش‌هایی است که مواد جدید هنگام ورود به صنعت ساختمان با آن رو‌به‌رو هستند.
وی ادامه داد: معماران باید آنچه را که ممکن است دوباره تصور کنند و مهندسان نیز تجربه مشابهی خواهند داشت. یک ساختمان بلند ۵۰ طبقه ۸۰ تا ۹۰ درصد کمتر از یک ساختمان بلند بتنی و فولادی سنتی وزن خواهد داشت.
او می‌افزاید که حتی می‌تواند جایگزین بتن در کف‌ها، به جز فونداسیون، شود. به گفته وی، چالش اصلی، برآورده کردن تقاضا با ساخت تأسیسات بزرگتر در ایالات متحده و خارج از کشور خواهد بود، زیرا در حال حاضر علاقه زیادی به مراکز تولید منطقه‌ای وجود دارد.
لاو معتقد است که خلاقیت انسانی واقعاً پتانسیل SUPERWOOD را آزاد خواهد کرد. مردم کار‌هایی را با «ابرچوبی که امروز حتی نمی‌توانیم تصورش را بکنیم، و ما بسیار هیجان‌زده‌ایم که از این جنبش حمایت کنیم و آن را تقویت کنیم.» او در پایان می‌گوید: «ماشین‌ها، قایق‌ها و هواپیما‌های زیبایی را تصور کنید که از مواد سبک و طبیعی ساخته شده‌اند.
لاو توضیح می‌دهد. این شرکت با چندین پروژه در حال توسعه، در ابتدا بر روی کاربرد‌های سایدینگ، عرشه‌سازی و حصارکشی تمرکز دارد و در حال حاضر مناطقی مانند کالیفرنیا را که به شدت تحت تأثیر آتش‌سوزی‌های جنگلی قرار گرفته‌اند، در اولویت قرار می‌دهد. با این حال، هاوکن خاطرنشان می‌کند که ادغام طراحی یکی از بزرگترین چالش‌هایی است که مواد جدید هنگام ورود به صنعت ساختمان با آن رو‌به‌رو هستند.
او می‌گوید: «معماران باید آنچه را که ممکن است دوباره تصور کنند و مهندسان نیز تجربه مشابهی خواهند داشت. یک ساختمان بلند ۵۰ طبقه ۸۰ تا ۹۰ درصد کمتر از یک ساختمان بلند بتنی و فولادی سنتی وزن خواهد داشت.» او توضیح می‌دهد و می‌افزاید که حتی می‌تواند جایگزین بتن در کف‌ها، به جز فونداسیون، شود.
به گفته وی، چالش اصلی، برآورده کردن تقاضا با ساخت تأسیسات بزرگتر در ایالات متحده و خارج از کشور خواهد بود، زیرا در حال حاضر علاقه زیادی به مراکز تولید منطقه‌ای وجود دارد.
لاو معتقد است که خلاقیت انسان واقعاً پتانسیل SUPERWOOD را آزاد خواهد کرد.
او در پایان می‌گوید: مردم با SUPERWOOD کار‌هایی انجام خواهند داد که ما امروز حتی نمی‌توانیم تصور کنیم و ما بسیار هیجان‌زده‌ایم که از این جنبش حمایت و آن را تقویت کنیم. ماشین‌ها، قایق‌ها و هواپیما‌های زیبایی را تصور کنید که از مواد سبک و طبیعی ساخته شده‌اند.
اخبار مرتبط
خبرگزاری دانشجو