Materiały budowlane przyszłości. Jak będą zmieniać architekturę i budownictwo?

2018-12-14 8:06 Marta Balcerowska
materiały budowlane przyszłości
Autor: Getty Images Materiały budowlane o zmiennym stanie skupienia, które akumulują i uwalniają duże pokłady energii - to m.in. do nich może należeć przyszłość

Do jakich materiałów budowlanych i technologii należy przyszłość? Fasady interaktywne, izolacje próżniowe i aerożele zamiast tradycyjnych materiałów izolacyjnych, budynki otulone termicznymi bimetalami. Żywe, samonaprawiające się tworzywa. Jak materiały budowlane będą zmieniać architekturę?

Wydaje się, że klasyczna, uniwersalna triada witruwiańska nieco się zdezaktualizowana. Piękno, trwałość, użyteczność nie wystarczają już ani architekturze ani budownictwu. Dotyczy to funkcjonalności, która musi spełniać wymagania nie tylko użytkownika obiektu, ale również otoczenia. Budynki muszą z nim współgrać, być integralną częścią ekosystemu.
Przed projektantami i inżynierami poprzeczka stoi wysoko, ale materiały budowlane oraz technologie, które mają do dyspozycji, dają coraz więcej możliwości. Zmiany w inżynierii materiałowej zachodzą bardzo szybko, a wspólnym mianownikiem tych zmian jest już nie tylko funkcjonalność, ale również poszanowanie dla środowiska, i to zarówno przy produkcji materiałów budowlanych, jak i ich wykorzystywaniu.

osłony przeciwsłoneczne
Autor: thinkstockphotos.com Specjaliści twierdzą, że większym wyzwaniem staje nie ogrzewanie budynków, ale ochrona przed przegrzaniem. Wszelkiego typu osłony przeciwsłoneczne, interaktywne elewacje są nieodzowne do zmniejszenia nakładów energii do klimatyzowania budynków

Dr inż. Konrad Witczak z Katedry Fizyki i Materiałów Budowlanych Politechniki Łódzkiej uważa, że inżynieria materiałowa zmierza do pewnego rodzaju kompleksowości właściwości.
– Będziemy dążyć do poprawiania parametrów materiałów, zależnych od ich głównego zastosowania. Jednak takim dodatkowym elementem innowacyjności materiałów budowlanych, wychodzącym poza ich właściwości techniczne, jest np. możliwość recyklingu i ponownego wytworzenia produktu o równie dobrych parametrach. Wypracowanie w sektorze budownictwa obiegu zamkniętego – rozwiązania problemu globalnych niedoborów zasobów oraz niezliczonej ilości odpadów – mówi Konrad Witczak.

– Nadchodząca czwarta rewolucja przemysłowa (Przemysł 4.0) spowoduje szereg zmian związanych m.in. z wprowadzeniem nowych technik modelowania, projektowania i wytwarzania, co będzie miało rozmaite konsekwencje także dla branży budowlanej i architektonicznej – przewiduje dr inż. Magdalena Muszyńska-Łanowy z Politechniki Wrocławskiej. I dodaje, że technologie przyszłości, takie jak: druk addytywny (3D), robotyka, wykorzystanie rzeczywistości wirtualnej, rozszerzonej umożliwią większą elastyczność oraz personalizację rozwiązań. Widać też dążenie do zwiększenia ich kompleksowości, wydajności i jakości przy jednoczesnej redukcji kosztów produkcji.

Materiały budowlane smart

Szybko rozwijającą się gałęzią inżynierii materiałowej są materiały, które można określić mianem smart – inteligentnie, błyskawicznie i w przewidywalny sposób reagujące na zmiany w otoczeniu. Zmieniają właściwości (kolor czy przezierność) pod wpływem impulsu: termicznego, chemicznego, mechanicznego, elektrycznego. Dr hab. inż. arch. Katarzyna Zielonko-Jung z Politechniki Gdańskiej uważa, że bez wątpienia materiały interaktywne, zdolne do reagowania na zmiany, dopasowujące się do otoczenia, to materiały przyszłości. Do produktów smart zalicza się przede wszystkim szkło, ale także termo-bimetale, które potrafią zmieniać kształt, np. zakrzywiają się pod wpływem promieniowania słonecznego. Trwają już badania nad pierwszymi przesłonami z tego tworzywa. Prowadzi je amerykańska architekta Doris Kim Sung. Zainspirowana budową i działaniem ludzkiej skóry, naturalnego termoregulatora, proponuje otulać budynki właśnie taką „skórą” z termicznych bimetali. Rozwiązanie to może wyprzeć tradycyjne osłony przeciwsłoneczne, a możliwe że i systemy wentylacji i klimatyzacji.

– Absolutnym przełomem w budownictwie mogą stać się już wkrótce materiały o zmiennym stanie skupienia (phase change materials) – mówi Katarzyna Zielonko-Jung. Są to substancje, które akumulują i uwalniają duże pokłady energii. Sklasyfikowane są jako jednostki utajonego ciepła (LHS). Wykończony takim materiałem budynek mógłby samoistnie magazynować energię w słoneczne dni, a oddawać ją przy braku pogody. Materiały te pozwalają też wykorzystać ciepło wytworzone wewnątrz budynku (pochodzące od ludzi, urządzeń, powietrza nagrzanego energią słoneczną przenikającą przez szkło).
Wiele z pewnością będzie zmieniać się w izolacjach termicznych. Przyszłość powinna należeć do izolacji próżniowych – 1 cm zastępuje 20 cm styropianu, ale konieczna jest specjalna technika montażu i dbałość, aby nie rozszczelnić takiej powłoki – twierdzi Konrad Witczak. Bardzo ciekawym materiałem jest aerożel – ma dwa i pół razy mniejszy współczynnik przewodzenia ciepła λ niż materiały izolacyjne obecnie stosowane. To najlżejsze ciało stałe na świecie, o strukturze mydlanych baniek, w 99% złożone z powietrza. Na przeszkodzie jego rozpowszechnienia stoi niestety cena.

Materiały budowlane naśladujące przyrodę

Bionika, czyli nauka z pogranicza biologii i nauk technicznych. To jej rozwój może przynieść spektakularne rozwiązania technologiczne. Świat żywych organizmów jest od naszego pod pewnymi względami znacznie doskonalszy, ma niesamowite zdolności, które musimy tylko i aż tylko nauczyć się wykorzystywać. Weźmy np. rogówkę oka ćmy o silnych właściwościach antyrefleksyjnych, które inspirują naukowców do ich wykorzystania w wielu dziedzinach. Dla budownictwa opracowano na tej podstawie antyodblaskowe i nieprzepuszczające ciepła szkło, które ma dodatkowo zdolność samoczyszczenia. Prowadzone są też prace nad trwalszymi i wydajniejszymi bateriami słonecznymi. 
Budowa układu oddechowego konika polnego, zapewniającego efektywną wymianę gazową, to również pole badań naukowców. Przeniesienie tego układu do architektury, umożliwiłoby wentylację budynków przez ściany bez żadnego nakładu energii.

Materiały budowlane, które same się naprawiają?

Wiele na to wskazuje, że pomyślnie zakończą się prace nad przysposobieniem do realnych zastosowań inżynierskich „żywego” betonu, a będzie to przełom w budownictwie. Okazało się bowiem, że pewna grupa niezwykle trwałych bakterii wytrąca ten sam rodzaj kalcytu, który jest składnikiem betonu. Bakterie umieszczone w betonie wraz z ich pożywieniem (pewnego rodzaju skrobią) mogą być w stanie uśpienia wiele lat. Jeśli tylko pojawią się pęknięcia w materiale, budzą się do życia, mnożą, wydzielając przy tym mineralny kalcyt. Wiąże się on z betonem, tworząc mineralną strukturę, zasklepiającą pęknięcia i ubytki. Tak właśnie, wykorzystując bakterie, można stworzyć żyjący, samonaprawiający się beton.
W bakteriach zresztą naukowcy upatrują nadziei na uporanie się z problemem trudnych odpadów (również w budownictwie), polistyrenu czy PET, zalegających chociażby w oceanach. Bakterie, ewoluując, nauczyły się z plastikowych śmieci czerpać pożywienie. I o ile rozkład tego typu tworzyw liczony jest w setkach lat, bakterie robią to w zaledwie 6 tygodni.

Przykładów takich fenomenów natury można mnożyć, a odkrywanie nowych będzie z pewnością motorem napędowym inżynierii materiałowej i rozwoju nowych technologii. Rozszyfrowanie niektórych arcyzdolności mikroświata i możliwość wdrożenia w większej skali to jedno z większych wyzwań inżynierii, także tej stosowanej w budownictwie.

– Materiały inteligentne i ekologiczne bardzo szybko ewoluują. Dalszy rozwój nano- i biotechnologii być może pozwoli lepiej eksploatować energię słoneczną w budynkach za pomocą efektywnych i estetycznych paneli fotowoltaicznych, a materiały o właściwościach fotokatalitycznych, dzięki żywym mikroorganizmom, poprawią jakość powietrza. Z pewnością pojawią się także innowacyjne, dziś zupełnie nieznane nam rozwiązania, które z czasem przyczynią się do stworzenia nowej typologii, funkcji i estetyki – dodaje Magdalena Muszyńska-Łanowy.

Czy artykuł był przydatny?
Przykro nam, że artykuł nie spełnił twoich oczekiwań.
Czytaj więcej