นักวิจัยนำ “โมเลกุลสาหร่ายทะเล” มาผสมกับดินและทรายธรรมชาติ เพื่อใช้เป็นวัสดุก่อสร้างในการพิมพ์สามมิติ ช่วยให้โครงสร้างแข็งแรงขึ้น 25% และเซตตัวเร็วขึ้น 33%
ทีมนักวิทยาศาสตร์ประสบความสำเร็จในการพัฒนาวัสดุก่อสร้างคาร์บอนต่ำรูปแบบใหม่ ด้วยการเปลี่ยนดินและทรายรอบตัวให้กลายเป็นผนังอาคารที่แข็งแกร่งผ่านเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติ (3D Printing) โดยมีหัวใจสำคัญเป็นสารสกัดจากธรรมชาติอย่างสาหร่ายทะเล ซึ่งช่วยจุดประกายความหวังในการสร้างที่อยู่อาศัยที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม
เปลี่ยนดินเป็นบ้านด้วย “พลังโมเลกุลสาหร่าย”
แนวคิดการนำดินในท้องถิ่นมาขึ้นรูปเป็นอาคารไม่ใช่เรื่องใหม่ แต่ปัญหาใหญ่ที่นักพัฒนาเผชิญมาตลอดคือ ดินมักจะแห้งช้าเกินไปจนโครงสร้างถล่มลงมาก่อนจะพิมพ์เสร็จ หรือไม่ก็มีความหนืดจนอุดตันหัวพิมพ์ของเครื่องจักร
รายละเอียดของอิฐดินที่พิมพ์ 3 มิติ แสดงพื้นผิวและโครงสร้างที่แน่นหนา
เพื่อแก้ปัญหานี้ ทีมวิจัยจึงได้นำสารประกอบชีวภาพจำพวกพอลิแซกคาไรด์ (Polysaccharide) หรือโมเลกุลน้ำตาลสายยาวที่สกัดได้จากสาหร่ายทะเลมาเป็นตัวช่วย สารสกัดนี้จะเข้าไปทำหน้าที่ปรับประจุไฟฟ้าและสร้างพันธะเคมีในระดับโมเลกุลระหว่างอนุภาคของดินและทราย ส่งผลให้ดินเหนียวที่เคยเหนอะหนะเปลี่ยนสภาพเป็นวัสดุที่มีความลื่นไหลสูงเมื่ออยู่ในเครื่องพิมพ์ แต่เมื่อถูกฉีดออกมาเป็นเยื่อผนังตามรูปแบบที่คำนวณไว้ มันจะสามารถจับตัวกันและแข็งตัวได้ในทันที ทำให้เครื่องพิมพ์สามารถซ้อนเลเยอร์ขึ้นไปเป็นผนังสูงหรือโครงสร้างที่มีความโค้งมนซับซ้อนได้อย่างต่อเนื่องโดยไม่พังทลายลงมา
สารสกัดจากสาหร่ายทะเลเพิ่มความแข็งแกร่ง
งานวิจัยของนักวิทยาศาสตร์ จากมหาวิทยาลัยโคโลราโด โบลเดอร์ (University of Colorado Boulder) ประเทศสหรัฐอเมริกา ได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร Nature Communications ทีมวิศวกรและนักพัฒนาได้ทำการทดสอบประสิทธิภาพของวัสดุทางเลือกนี้อย่างละเอียด และพบว่าเมื่อผสมสารสกัดจากสาหร่ายทะเลในสัดส่วนที่เหมาะสม วัสดุดินพิมพ์ 3 มิตินี้จะมี ความแข็งแรงทนทานต่อแรงกดเพิ่มขึ้นถึง 25% เมื่อเทียบกับการใช้ดินสูตรทั่วไป
ยิ่งไปกว่านั้น นวัตกรรมนี้ยังช่วยให้กระบวนการก่อสร้าง พิมพ์ได้รวดเร็วขึ้นถึง 33% (หรือเร็วขึ้นราวหนึ่งในสาม) เนื่องจากวัสดุเซตตัวได้ไว ทำให้ช่างหน้างานและระบบอัตโนมัติสามารถทำงานได้อย่างต่อเนื่องโดยไม่ต้องเสียเวลารอให้ผนังแต่ละชั้นแห้งตัวเป็นเวลานานเหมือนในอดีต
ศิลปะสถาปัตยกรรมสร้างจากวัสดุดินพิมพ์ 3 มิติ
โซเดียมแอลจิเนต ส่วนผสมที่ใช่
ทีมวิจัยทดสอบไบโอโพลิเมอร์ 5 ชนิด ได้แก่ กัวร์กัม โลคัสต์บีนกัม คาสเซียกัม แซนแทนกัม และโซเดียมแอลจิเนต ซึ่งล้วนพบในอาหารประเภทน้ำสลัดหรือผลิตภัณฑ์แปรรูปต่าง ๆ ผลปรากฏว่าไบโอพอลิเมอร์ส่วนใหญ่ทำหน้าที่เหมือนกาวข้น ยึดอนุภาคดินแน่นเกินไปจนส่วนผสมอุดตันหัวฉีดเครื่องพิมพ์ 3 มิติ
โซเดียมแอลจิเนต สารสกัดจากสาหร่ายทะเลที่นิยมใช้ทำไอศกรีม ให้ผลลัพธ์อย่างน่าประหลาดใจ แทนที่จะเป็นกาวยึดติด มันกลับปรับเปลี่ยนประจุไฟฟ้าบนผิวอนุภาคดินเหนียว ทำให้อนุภาคผลักกันออก คล้ายขั้วแม่เหล็กเดียวกันที่ไม่ยอมดูดหากัน ผลที่ได้คือส่วนผสมที่ไหลลื่น เสถียร และผ่านหัวฉีดเครื่องพิมพ์ได้อย่างราบรื่น งานวิจัยพบว่าการเติมโซเดียมแอลจิเนตเพียง 0.12% ลงในดินจากเหมืองหินแกรนิตใกล้เมืองโกลเดน รัฐโคโลราโด สามารถพิมพ์ได้เร็วขึ้น 33% และทนแรงกดได้มากขึ้นถึง 25% เมื่อเทียบกับดินที่ไม่ผสมสาร
ก่อสร้างจากดินที่ขุดขึ้นมาทิ้ง
สำหรับคนทำงานในภาคอุตสาหกรรมก่อสร้าง เทคโนโลยีนี้จะเข้ามาเปลี่ยนวิธีการคำนวณต้นทุนอย่างสิ้นเชิง ต่อไปในอนาคต ผู้รับเหมาอาจไม่จำเป็นต้องสั่งซื้อและขนย้ายปูนซีเมนต์หนักหลายตันมายังไซต์งาน แต่สามารถใช้เครื่องจักรขุดดินในบริเวณที่จะสร้างบ้านนั่นเองมาเข้ากระบวนการผสมแล้วสั่งพิมพ์เป็นตัวอาคารได้ทันที ซึ่งช่วยลดทั้งค่าวัสดุและค่าแรงงาน
นอกจากนี้ การที่วัสดุสามารถรองรับการพิมพ์โครงสร้างที่เอียงได้สูงสุดถึง 60 องศาโดยไม่ล้ม จะช่วยทลายขีดจำกัดด้านการออกแบบของสถาปนิก ทำให้สามารถสร้างสรรค์อาคารรูปทรงฟรีฟอร์ม (Freeform) ที่สวยงาม แปลกใหม่ และตอบโจทย์ฟังก์ชันการใช้งานเฉพาะตัวได้
ภาชนะทรงสูงสร้างจากวัสดุดินโมเลกุลสาหร่ายพิมพ์ 3 มิติ
เทคโนโลยีการผสมผสานโมเลกุลสาหร่ายเข้ากับดินเพื่อการพิมพ์ 3 มิติ ถือเป็นก้าวสำคัญในการเปลี่ยนผ่านสู่ยุคการก่อสร้างสีเขียวที่ยั่งยืน ไม่เพียงแต่จะช่วยลดการปล่อยมลพิษจากการใช้ปูนซีเมนต์ แต่ยังช่วยลดต้นทุนและเพิ่มประสิทธิภาพในการทำงานให้รวดเร็วยิ่งขึ้น ในอนาคตอันใกล้ นวัตกรรมนี้อาจกลายเป็นกุญแจสำคัญในการสร้างที่อยู่อาศัยราคาประหยัดสำหรับผู้ประสบภัยพิบัติ หรือการสร้างอาคารที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมในพื้นที่ห่างไกลทั่วโลกได้อย่างมีประสิทธิภาพ
เรียบเรียงโดย ขนิษฐา จันทร์ทร
ที่มาข้อมูล: colorado, interestingengineering, techxplore, nature
ที่มาภาพ: colorado
อัปเดตข้อมูลแวดวงวิทยาศาสตร์ เทคโนโลยี รู้ทันโลกไอที และโซเชียลฯ ในรูปแบบ Audio จาก AI เสียงผู้ประกาศของไทยพีบีเอส ได้ที่ Thai PBS
“รอบรู้ ดูกระแส ก้าวทันโลก” ไปกับ Thai PBS Sci & Tech
