คอนกรีตลดคาร์บอน พิมพ์โครงสร้าง 3 มิติ สร้างสะพานรับน้ำหนักได้มหาศาล

ทีมวิจัยคิดค้น "คอนกรีตลดคาร์บอน" พิมพ์แบบ 3 มิติ รูปทรงโค้งรับแรงโดยไม่อาศัยเหล็กเสริมรับน้ำหนักได้มหาศาล พร้อมลดการใช้วัตถุดิบและการปล่อยก๊าซเรือนกระจก

อุตสาหกรรมก่อสร้างยุคใหม่กำลังเผชิญความท้าทายครั้งใหญ่ในการลดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม โดยเฉพาะขั้นตอนการผลิตปูนซีเมนต์ซึ่งเป็นหนึ่งในตัวการหลักของการปล่อยก๊าซเรือนกระจกสู่ชั้นบรรยากาศโลก

นักวิจัยได้คิดค้นโครงสร้างคอนกรีตด้วยเทคโนโลยีพิมพ์คอนกรีต 3 มิติเพื่อสร้างสะพานที่มีความแข็งแรงสูง สามารถรับน้ำหนักบรรทุกได้มหาศาลจากการทดสอบจริง โดยที่ใช้ปริมาณทรัพยากรน้อยลงอย่างเห็นได้ชัด นวัตกรรมนี้อาจกลายเป็นความหวังในการเปลี่ยนผ่านสู่เมืองคาร์บอนต่ำในอนาคต

ลักษณะโครงสร้างของคอนกรีตลดคาร์บอน พิมพ์ 3 มิติ

การทำงานของคอนกรีต 3 มิติ

โดยทั่วไปการสร้างสะพานหรืออาคารคอนกรีตจะใช้วิธีเทปูนลงในแม่แบบเหล็กหรือไม้ ซึ่งจำเป็นต้องใช้ปริมาณคอนกรีตจำนวนมากเต็มพื้นที่โครงสร้าง รวมทั้งต้องใส่โครงเหล็กเสริมเพื่อเพิ่มความทนทานต่อแรงเค้น แต่เทคโนโลยีพิมพ์โครงสร้าง 3 มิตินี้ใช้การฉีดขึ้นรูปวัสดุทีละชั้นตามแบบจำลองทางคอมพิวเตอร์อย่างแม่นยำ

ความพิเศษอยู่ที่การออกแบบรูปทรงโค้งตามหลักกลศาสตร์ "ส่วนโค้งรับแรง" (Arch) รวมกับเทคนิคการจัดวางทิศทางการพิมพ์คอนกรีตให้สอดรับกับทิศทางของแรงบีบอัด ทำให้เนื้อปูนถ่ายเทน้ำหนักลงสู่ฐานได้อย่างสมบูรณ์แบบ ส่งผลให้โครงสร้างสามารถคงตัวและรับน้ำหนักได้อย่างมั่นคงโดยไม่จำเป็นต้องเสริมเหล็กเส้น หรือใช้กาวเชื่อมต่อระหว่างบล็อก ซึ่งช่วยลดกระบวนการซับซ้อนในไซต์งานก่อสร้างได้อย่างมาก

แนวทางลดคาร์บอนของอุตสาหกรรมก่อสร้าง

งานวิจัยของนักวิทยาศาสตร์ จาก สถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์ (Massachusetts Institute of Technology หรือ MIT) ประเทศสหรัฐอเมริกา ได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร Journal of Building Engineering ซึ่งแสดงให้เห็นถึงความสำเร็จในการพัฒนาสะพานคอนกรีตพิมพ์ 3 มิติ ขนาดจำลองที่มีความยาวหลายเมตร

ทีมวิจัยนำโดยวิศวกรโครงสร้างได้ตั้งเป้าหมายพิสูจน์ว่า รูปทรงสถาปัตยกรรมที่คำนวณด้วยอัลกอริทึมอย่างถี่ถ้วน สามารถทดแทนการใช้วัสดุสิ้นเปลืองได้ จากผลการทดสอบการรับแรงกดด้วยเครื่องมือทางวิศวกรรมพบว่า สะพานจำลองรูปทรงโค้งนี้สามารถรองรับน้ำหนักบรรทุกได้มากกว่า 2,000 ปอนด์ (หรือเกือบ 1 ตัน) โดยไม่มีการร้าวหรือพังทลาย ซึ่งเทียบเท่าน้ำหนักของรถยนต์ขนาดเล็กหนึ่งคัน ทั้งที่ตัวโครงสร้างผลิตจากบล็อกคอนกรีตพิมพ์ชิ้นเล็ก ๆ นำมาร้อยต่อกันด้วยระบบเคเบิลตึงแรงเท่านั้น

การทดสอบการรับแรงกดทับ และความทนทานของคอนกรีต

การใช้งานจริง และประโยชน์ด้านสิ่งแวดล้อม

การค้นพบนี้ส่งผลกระทบโดยตรงต่อทั้งวิถีชีวิตผู้คนและทิศทางขยะโลก ในแง่สิ่งแวดล้อม การพิมพ์เฉพาะจุดที่ต้องรับแรงจริงช่วยลดการใช้ปูนซีเมนต์ลงได้มหาศาล ส่งผลให้ปริมาณคาร์บอนฟุตพริ้นท์จากกระบวนการผลิตลดลงทันที นอกจากนี้ การไม่ใช้เหล็กเสริมยังช่วยตัดปัญหาการกัดกร่อนโครงสร้างในระยะยาว ลดงบประมาณการซ่อมบำรุงของภาครัฐ

สำหรับการใช้งานจริง เทคโนโลยีนี้ช่วยให้การก่อสร้างโครงสร้างพื้นฐานในพื้นที่ห่างไกลหรือพื้นที่ประสบภัยพิบัติเป็นไปได้อย่างรวดเร็วและปลอดภัย ชิ้นส่วนคอนกรีตสามารถพิมพ์เตรียมไว้จากโรงงาน แล้วนำมาประกอบในพื้นที่จริงได้ทันทีเหมือนตัวต่อ ลดมลพิษทางเสียง ฝุ่นควัน และลดระยะเวลาปิดการจราจรที่มักสร้างปัญหาจราจรติดขัดให้แก่คนเมือง

นวัตกรรมสะพานคอนกรีตพิมพ์ 3 มิติรูปทรงโค้งนี้นับเป็นก้าวสำคัญที่พิสูจน์ให้เห็นว่า ความก้าวหน้าทางวิศวกรรมคอมพิวเตอร์และสถาปัตยกรรมศาสตร์สามารถทำงานร่วมกันเพื่อแก้ปัญหาวิกฤตโลกร้อนได้ แม้ปัจจุบันจะอยู่ในขั้นตอนการทดสอบระดับห้องปฏิบัติการและโครงสร้างจำลอง แต่แนวคิดการปรับลดใช้วัตถุดิบตรงนี้จะกลายเป็นมาตรฐานใหม่ของการก่อสร้างที่ทั้งแข็งแรง รวดเร็ว และเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมอย่างยั่งยืน

เรียบเรียงโดย ขนิษฐา จันทร์ทร

ที่มาข้อมูล: mit, techxplore, interestingengineering, jalopnik
ที่มาภาพ: mit

อัปเดตข้อมูลแวดวงวิทยาศาสตร์ เทคโนโลยี รู้ทันโลกไอที และโซเชียลฯ ในรูปแบบ Audio จาก AI เสียงผู้ประกาศของไทยพีบีเอส ได้ที่ Thai PBS

“รอบรู้ ดูกระแส ก้าวทันโลก” ไปกับ Thai PBS Sci & Tech