โมเดลสะพานดูดคาร์บอน ลดปริมาณคอนกรีต ได้แรงบันดาลใจจากกระดูก

คอนกรีตเป็นวัสดุสังเคราะห์ที่มนุษย์นิยมใช้มากที่สุดในโลก เนื่องจากมีราคาไม่แพง ใช้งานได้หลากหลาย แข็งแรงทนทานอย่างเหลือเชื่อ และหาได้ง่ายในท้องถิ่น แต่คอนกรีตยังมีปริมาณการปล่อยก๊าซคาร์บอนมหาศาล คิดเป็นประมาณ 8% ของการปล่อยก๊าซเรือนกระจกทั่วโลก

อุตสาหกรรมคอนกรีตและซีเมนต์พยายามลดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมมาหลายปีด้วยการใช้ส่วนผสมคอนกรีตที่ยั่งยืนหรือการออกแบบที่มีประสิทธิภาพ โดยทีมวิจัยจากมหาวิทยาลัยเพนซิลเวเนียได้ผสมผสานทั้งวัสดุใหม่ ๆ และการออกแบบที่ประหยัดวัสดุ ซึ่งยังคงความแข็งแรงและความทนทานไว้เหมือนเดิม

โครงการนี้มีชื่อว่า Diamanti ซึ่งเป็นสะพานได้รับแรงบันดาลใจจากธรรมชาติ และใช้เครื่องพิมพ์ 3 มิติแบบหุ่นยนต์เพื่อสร้างลวดลายที่ซับซ้อนคล้ายโครงตาข่ายด้วยส่วนผสมคอนกรีตที่ยั่งยืน

งานวิจัยบางชิ้นระบุว่าคอนกรีตทั่วไปส่วนใหญ่ดูดซับก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ได้ 30% ของการปล่อยก๊าซเรือนกระจกตลอดวงจรชีวิต แต่ส่วนผสมคอนกรีตที่ปรับปรุงใหม่ของ Diamanti กลับดูดซับก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ได้มากกว่าส่วนผสมคอนกรีตทั่วไปถึง 142%

มาซูด อักบาร์ซาเดห์ รองศาสตราจารย์ด้านสถาปัตยกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเพนซิลเวเนีย และผู้อำนวยการห้องปฏิบัติการที่ริเริ่มโครงการนี้กล่าวว่า เป็นการออกแบบสะพานคนเดินแห่งแรก ใช้วัสดุน้อยลง 60% แต่ยังคงความแข็งแรงเชิงกลไว้ โดยเลียนแบบโครงสร้างในกระดูกพรุนบางชนิด เรียกว่า TPMS (Triply Periodic Minimal Surface) ซึ่งเป็นพื้นผิวเชิงปริมาตรแบบอนันต์ที่มีการซ้ำกันในสามทิศทางและมีค่าความโค้งเฉลี่ยเป็นศูนย์

โมเดลสะพานจำลองโครงการ Diamanti
ที่มา: Fortes Vision. Courtesy of Masoud Akbarzadeh and Massive Form

นอกจากนี้ Diamanti ยังช่วยเพิ่มพื้นที่ผิวของสะพาน ทำให้ศักยภาพในการดูดซับคาร์บอนของส่วนผสมคอนกรีตเพิ่มขึ้นอีก 30% อักบาร์ซาเดห์กล่าวว่าพื้นที่ผิวประกอบกับคุณสมบัติของวัสดุนี้ ช่วยเพิ่มปฏิกิริยากับคาร์บอนในระดับจุลภาคให้สูงสุด และสามารถเพิ่มประสิทธิภาพในการลดและดูดซับคาร์บอนไดออกไซด์มากขึ้น

โครงการนี้เปิดตัวในปี 2022 โดยร่วมมือกับ Sika บริษัทเคมีภัณฑ์สัญชาติสวิส และได้รับทุนสนับสนุนจากกระทรวงพลังงานสหรัฐ ขณะนี้กำลังเตรียมพร้อมที่จะสร้างต้นแบบขนาดเท่าของจริงแห่งแรกในฝรั่งเศส

พื้นผิวสะพานจำลองโครงการ Diamanti
ที่มา: Fortes Vision. Courtesy of Masoud Akbarzadeh and Massive Form

คอนกรีตรูปแบบใหม่

แอนดรูว์ มินสัน ผู้อำนวยการฝ่ายคอนกรีตและการก่อสร้างที่ยั่งยืนของสมาคมปูนซีเมนต์และคอนกรีตโลกกล่าวว่า ความแข็งแกร่ง ความทนทาน ความปลอดภัย และทนไฟ เป็นคุณสมบัติที่ทำให้คอนกรีตได้รับความนิยมอย่างมากในระดับสากล

ที่ผ่านมา อุตสาหกรรมปูนซีเมนต์พยายามอย่างมากในการพัฒนาความยั่งยืน โดยลดการปล่อยก๊าซคาร์บอนลง 25% ต่อเมตริกตัน ระหว่างปี 1990-2023 แต่อัตราการปล่อยก๊าซของอุตสาหกรรมนี้ในปัจจุบัน กลับสูงกว่า 2015 เนื่องจากมีความต้องการเพิ่มขึ้น ตามข้อมูลของสำนักงานพลังงานระหว่างประเทศ (IEA)

ตู้ หงเจี้ยน อาจารย์วิศวกรรมโยธาอาวุโสแห่งมหาวิทยาลัยแห่งชาติสิงคโปร์ ระบุว่าการปล่อยมลพิษส่วนใหญ่ประมาณ 90% มาจากปูนซีเมนต์ เนื่องจากในกระบวนการผลิตปูนซีเมนต์ใช้อุณหภูมิสูงถึง 2,000 องศาเซลเซียส เพื่อการสลายหินปูนในเตาเผา ซึ่งก่อให้เกิดการปล่อยก๊าซคาร์บอน ขณะเดียวกันหินปูนยังเป็นแคลเซียมคาร์บอเนตที่ปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ที่อุณหภูมิสูง ซึ่งเป็นสาเหตุของการปล่อยก๊าซซีเมนต์ส่วนใหญ่อีกด้วย

ภาพจำลองโครงการ Diamanti
ที่มา: Fortes Vision. Courtesy of Masoud Akbarzadeh and Massive Form

การเปลี่ยนปูนซีเมนต์บางส่วนไปใช้วัสดุอื่นสามารถช่วยลดปริมาณการปล่อยก๊าซคาร์บอนได้ และบริษัทและองค์กรหลายแห่งกำลังสำรวจส่วนผสมคอนกรีตที่ดูดซับก๊าซได้มากขึ้น หนึ่งในนั้นคือ CO2-SUICOM ของญี่ปุ่นระบุว่าส่วนผสมคอนกรีตของบริษัทมีคาร์บอนเป็นลบ และ Seratech ในสหราชอาณาจักร เป็นหนึ่งในหลายบริษัทที่นำแร่โอลิวีนซึ่งดูดซับก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์นี้มาใช้ในปูนซีเมนต์เพื่อให้มีความยั่งยืนมากขึ้น

ส่วนผสมคอนกรีตในโครงการ Diamanti ซึ่งพัฒนาโดย ดร.ชู หยาง จากภาควิชาวัสดุศาสตร์ มหาวิทยาลัยเพนซิลเวเนีย ใช้ดินเบา หรือ ไดอะตอมไมต์ (Diatomite) วัสดุที่มีรูพรุนตามธรรมชาติและอุดมไปด้วยซิลิกา ซึ่งผลิตจากสาหร่ายฟอสซิล มาทดแทนซีเมนต์บางส่วน

ดินเบาสร้างช่องทางในคอนกรีตช่วยให้ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ซึมผ่านลงไปใต้ผิวดิน ถือว่ามีศักยภาพในการลดก๊าซคาร์บอนได้ แต่หงเจี้ยนระบุว่าทั่วโลกสามารถผลิตดินเบาได้น้อย ในปี 2023 สามารถผลิตได้เพียง 2.6 ล้านตัน ซึ่งไม่พอเพียงหากต้องการนำมาใช้เป็นโซลูชันหลักในการแก้ปัญหานี้

“ไม่มีทางลัดที่ได้ผล เราจำเป็นต้องดำเนินการทุกวิถีทางเท่าที่จะทำได้เพื่อจัดการความต้องการวัสดุและลดการปล่อยคาร์บอน” มินสันกล่าวเสริม

ก่อนที่จะนำ Diamanti มาใช้ในโลกแห่งความเป็นจริง ทีมงานต้องทดสอบด้วยการสร้างต้นแบบสะพาน  โดยแต่ละบล็อกจะถูกพิมพ์ด้วยแขนหุ่นยนต์ แล้วเชื่อมต่อด้วยสายเคเบิลดึง อักบาร์ซาเดห์ระบุว่า การพิมพ์ 3 มิติช่วยลดเวลาการก่อสร้าง วัสดุ และการใช้พลังงานลง 25% และระบบโครงสร้างช่วยลดการใช้เหล็กลง 80% ช่วยลดการใช้วัสดุอื่น ๆ ที่ปล่อยมลพิษสูง

เขาเสริมว่าการใช้เทคนิคนี้กับคอนกรีตของ Diamanti ช่วยลดการปล่อยก๊าซเรือนกระจกได้อย่างมากเมื่อเทียบกับเทคนิคการก่อสร้างทั่วไป และลดต้นทุนการก่อสร้างลง 25-30%

ขั้นแรก ทีมงานได้สร้างต้นแบบความยาว 5 เมตร เพื่อแสดงให้เห็นถึงความเป็นไปได้ ก่อนที่จะสร้างต้นแบบที่ใหญ่กว่าขนาด 10 เมตร โดยใช้วัสดุจาก Sika Group Switzerland สำหรับการทดสอบการรับน้ำหนัก ซึ่งผ่านการทดสอบอย่างยอดเยี่ยม 

สะพานนี้พัฒนาโดยใช้เทคโนโลยี Polyhedral Graphic Statics (PGS) รูปทรงเรขาคณิตนี้ช่วยให้สะพานมีประสิทธิภาพในการรับน้ำหนักสูงโดยใช้วัสดุน้อยที่สุด แทนที่จะต้านทานแรงไหลตามธรรมชาติ การออกแบบนี้ทำงานร่วมกับโครงสร้างเหล่านี้ ส่งผลให้โครงสร้างมีรูปทรงที่สวยงามแต่แข็งแกร่ง

โมดูลทั้งเก้าของสะพานเชื่อมต่อกันด้วยสายเคเบิลเหล็กแบบดึงที่ไม่ได้ผ่านกระบวนการยาแนว วิธีนี้ช่วยลดความจำเป็นในการยาแนวหรือกาว ทำให้กระบวนการก่อสร้างสามารถย้อนกลับได้อย่างสมบูรณ์

นี่คือนวัตกรรมที่ผสานการใช้งานจริงทางวิศวกรรมเข้ากับความรับผิดชอบต่อสิ่งแวดล้อม ทำให้การย้าย การปรับขนาด หรือการรีไซเคิลในอนาคตเป็นเรื่องง่าย

ปัจจุบันต้นแบบนี้จัดแสดงอยู่ที่ศูนย์วัฒนธรรมยุโรปในเวนิส ในงาน Venice 2025 Architecture Biennial

อักบาร์ซาเดห์และทีมงานเผยแพร่ผลการวิจัยในวารสาร Advanced Functional Materials ของ Wiley เมื่อต้นปี 2025 และเดิมทีหวังว่าจะสร้างสะพานขนาดเต็มรูปแบบแห่งแรกของโครงการในเวนิส

แต่หลังจากที่เมืองเปลี่ยนแปลงกฎระเบียบเกี่ยวกับโครงสร้างขนาดใหญ่ใหม่ ทีมงานก็เริ่มมองหาเส้นทางน้ำที่เป็นสัญลักษณ์อื่น ๆ ในยุโรป โดยอักบาร์ซาเดห์ร่วมมือกับ Fortes Vision สตูดิโอออกแบบดิจิทัล เพื่อสร้างภาพจำลองดิจิทัลเชิงแนวคิดที่แสดงภาพสะพานข้ามแม่น้ำแซนในใจกลางกรุงปารีส

ในเดือนกันยายน โครงการนี้ได้รับการอนุมัติให้ก่อสร้างสะพานแห่งแรกในฝรั่งเศส แม้ว่าสถานที่จะยังอยู่ระหว่างการตัดสินใจ อักบาร์ซาเดห์รู้สึกตื่นเต้นที่จะได้ทดสอบการออกแบบของพวกเขาในโลกแห่งความเป็นจริง ซึ่งพวกเขาจะคอยติดตามและประเมินโครงสร้างอย่างใกล้ชิดต่อไป

นอกเหนือจากสะพานแล้ว ทีมงานยังกำลังสำรวจการประยุกต์ใช้งานสถาปัตยกรรมอื่น ๆ เช่น ระบบพื้นสำเร็จรูป อักบาร์ซาเดห์กล่าวว่านี่ไม่ใช่โซลูชันแบบครบวงจร แต่เขาหวังว่า Diamanti จะสร้างโลกแห่งความเป็นไปได้ใหม่

 

ที่มา: Archinect, CNN, Parametric Architecture

ภาพจำลองเมื่อโครงการ Diamanti แล้วเสร็จ
ที่มา: Fortes Vision. Courtesy of Masoud Akbarzadeh and Massive Form