معجزه فناوری درساختمان‌سازی

در طول قرن‌ها، مهندسان و معماران در پی ساختن سازه‌هایی بلندتر، قوی‌تر و زیباتر از پیش بوده‌اند و به این ترتیب تیرآهن، پایه‌های ضدزلزله و دیواره‌های شیشه به مرور وارد سازه‌ها شده‌اند. حالا سوال اینجاست که در آینده سازه‌ها چه شکلی به خود می‌گیرند و از چه ترکیباتی ساخته می‌شوند؟ نیازهای امروز بشر چیست و محققان این حوزه به دنبال چه فناوری‌های جدیدی در ساخت سازه‌های نوین هستند؟

احتمالا چهره شهرها تا سال‌های آینده تغییرات زیادی می‌کند و شاهد سازه‌هایی خواهیم بود که علاوه بر شکل ظاهری، مواد سازنده آنها نیز به روز شده است.

بتون‌های خود ترمیم‌شونده

بتون کاربردی‌ترین ماده‌ای است که در ساخت و ساز در سراسر جهان از آن استفاده می‌شود. در واقع بتون، دومین ماده در زمین بعد از آب است که بیشترین استفاده را دارد. هرچند این جمله ادعایی عجیب به نظر می‌رسد، اما هنگامی که به همه خانه‌های بتونی اطراف، ساختمان‌های اداری، تونل‌ها، پل‌ها و سایر سازه‌های بتونی نگاه کنیم، متوجه می‌شویم چه میزان بتون اطراف ما وجود دارد. بتون ماده‌ای ارزانقیمت و به شکل گسترده قابل انطباق با محیط است، اما به همان اندازه حساس به ترک است و در شرایطی که سازه تحت استرس‌هایی مثل گرما و سرمای شدید قرار بگیرد، بسرعت از بین می‌رود.

در گذشته تنها راه‌حل ترمیم ترک‌های به وجود آمده روی بتون، وصله‌کردن و مستحکم‌کردن قسمت‌های آسیب‌دیده بود، اما از حدود هفت سال پیش، نوع جدیدی از بتون هوشمند طراحی و ساخته شد که می‌تواند خودش را ترمیم کند. در این نوع بتون ترکیبی از کپسول‌های سدیم سیلیکات جاسازی شده است. هنگام شکل‌گیری ترکی روی بتون، کپسول‌ها گسسته می‌شوند و ژل ترمیم‌کننده را در فضا رها می‌کنند. به این ترتیب شکاف خالی ایجاد شده پر می‌شود و پس از مدتی مثل خود بتون سفت می‌شود.

اما این تنها روش خود ترمیم‌شونده برای بتون نیست. محققان به کمک نوعی باکتری، مویرگ‌های شیشه‌ای تعبیه شده یا میکروکپسول‌های پلیمری به نتیجه مشابه برای ترمیم بتون دست یافتند. با این حال روش اول بیشترین صرفه اقتصادی را نسبت به استفاده از روش‌های دیگر دارد.

افزایش طول عمر بتون برای محیط‌زیست بسیار مطلوب است، زیرا امروز حدود 5 درصد دی‌اکسیدکربن تولید شده در جهان در فرآیند ساخت بتون تولید می‌شود. بتون‌های هوشمند علاوه بر افزایش ایمنی در سازه‌ها، می‌توانند در کاهش میزان انتشار گازهای گلخانه‌ای موثر باشند.

بسیاری از فناوری‌های امروز اطراف ما از سازه‌ها و ویژگی‌های موجود در طبیعت الهام گرفته است. ایده طراحی مواد خودترمیم‌شونده نیز از غارهای آهکی الهام گرفته شده است. غارهای طبیعی هزاران و میلیون‌ها سال در طبیعت سالم باقی می‌مانند و علت آن دیواره‌های آهکی آنهاست.

آهک، ماده‌ای با خاصیت خود ترمیم شونده است و هنگامی که ترکی روی دیواره غار به وجود می‌آید، به آرامی آن را می‌پوشاند. بتون‌های خود ترمیم شونده نیز تقریبا به همین شکل و البته به کمک فناوری این کار را انجام می‌دهند.

نانولوله‌های کربنی، کوچک و قابل اعتماد

یک متر، یک میلیارد بار بزرگ‌تر از یک نانومتر است. یک ورق کاغذ تقریبا صدهزار نانومتر قطر دارد، ناخن انگشت در هر ثانیه یک نانومتر رشد می‌کند و پهنای یک رشته دی‌ان‌ای در هسته سلول‌های بدن ما 5/2 نانومتر است. از همین مقایسه‌ها می‌توان ابعاد بسیار کوچک یک قطعه نانویی را تا حدودی درک کرد. به این ترتیب ساخت ماده‌ای در ابعاد نانو کار آسانی نیست، اما تکنیک‌هایی مثل لیتوگرافی پرتو الکترون این کار را ممکن می‌کند.

اکنون دانشمندان و محققان این حوزه، لوله‌ کربنی طراحی کرده‌اند که دیواره‌ای به قطر فقط یک نانومتر دارد. هنگامی که یک ذره بزرگ‌تر به قطعات کوچک‌تر به طور فزآینده تقسیم می‌شود، نسبت سطح به جرم هر بار افزایش پیدا می‌کند. این نانولوله‌ کربنی نیز بیشترین نسبت قدرت به وزن را در میان مواد موجود در زمین دارد و می‌تواند تا یک میلیون بار بلندتر از ضخامت خود شود. این نانولوله که بسیار سبک و قوی است، می‌تواند در ساختمان‌سازی تغییرات چشمگیری به وجود آورد. نانولوله کربنی مثل انواع فلزات، بتون، چوب و شیشه‌ای که در سازه‌ها استفاده می‌شود، چگالی و استحکام کششی سازه را افزایش می‌دهد. همچنین مهندسان سازه از این فناوری به عنوان حسگرهایی در مقیاس نانو برای سنجش تنش‌های داخل مواد ساختمانی و شناسایی پتانسیل‌های شکستگی یا ایجاد ترک‌های احتمالی قبل از وقوع استفاده می‌کنند.

فلز شفاف، از رویا تا واقعیت

چند دهه است مهندسان شیمی به دنبال ماده‌ای هستند که استحکام و دوام فلز را همراه شفافیت کریستال یا شیشه داشته باشد. ماده‌ای که حتی پیش از ساخت آن، عنوان فلز شفاف بر آن نهاده شده بود. امروزه محققان زلزله‌شناسی و شهرسازی انتقادات شدیدی به ساختمان‌هایی که با نمای شیشه ساخته می‌شود وارد می‌کنند و معتقدند این ساختمان‌ها هنگام زلزله و بحران بشدت آسیب‌پذیر هستند، اما فلز شفاف می‌تواند در نمای ظاهری آسمانخراش‌ها استفاده شود و در عین حال امنیت کافی داشته باشد. این ساختمان‌ها می‌توانند از لایه نازکی فلز شفاف به عنوان پنجره‌های غیرقابل نفوذ استفاده کنند. چنین ساختمانی ضدگلوله نیز خواهد بود و می‌توان در نمای ساختمان‌های نظامی از این نوع فلز استفاده کرد. همچنین این فلزات می‌توانند برای ساخت آکواریم‌های هیجان‌انگیز استفاده شوند.

در دهه 1360/ 1980، محققان نوع جدید سرامیکی از مخلوط پودر آلومینیوم، اکسیژن و نیتروژن طراحی کرده و ساختند. سرامیک ماده‌ای سخت و معمولا کریستالی است که در یک فرآیند گرمایش و خنک‌سازی ساخته می‌شود. در مورد این نوع سرامیک، پودر آلومینیوم تحت فشار قرار می‌گیرد و در دمای حدود 2000 درجه سانتی‌گراد حرارت می‌بیند. در نهایت جلا داده می‌شود تا کاملا شفاف و به شکل فلزی شیشه مانند به استحکام آلومینیوم درآید.

خانه‌های چاپی

چاپگرهای سه بعدی در کمتر از یک دهه به قدری شهرت پیدا کردند که اکنون تقریبا در همه حوزه‌های فناوری وارد شده‌اند. قطعاتی از ماشین‌های صنعتی و اعضای مصنوعی بدن انسان از عجیب‌ترین قطعاتی هستند که با چاپگرها تولید شده‌اند. با این حال ساخت قطعات بسیار بزرگ هنوز برای این چاپگرها چالش محسوب می‌شود.

چند سال پیش یک شرکت ساختمان‌سازی هلندی، تصمیم به ساخت خانه‌ای با چاپگر سه بعدی گرفت، اما ساخت چاپگر در ابعادی که بتواند این خانه را بسازد، چالش اصلی این شرکت بود. اکنون این چاپگر قطعات پلاستیکی ساختمان را تولید می‌کند و سپس مثل قطعات لگو آنها را داخل یکدیگر قفل می‌کند. همزمان یک شرکت ساختمان‌سازی چینی نیز چاپگر بزرگی طراحی کرده است که به کمک اسپری کردن لایه‌های سیمان و زباله‌های ساختمانی خانه‌ای را مونتاژ می‌کند. این شرکت ادعا می‌کند این خانه‌ها قیمت بسیار ارزانی خواهند داشت و ساخت آنها فقط ده روز طول می‌کشد.

دکتر بهرخ خوشنویس، محقق ایرانی حوزه صنایع و مهندسی سیستم در دانشگاه کالیفرنیای جنوبی در آمریکا نیز طرح‌های مفصلی برای ساخت سریع خانه‌های با چاپگر سه‌بعدی ارائه کرده و چاپگرهایی در این حوزه ساخته است. ناسا با سرمایه‌گذاری روی این طرح‌ها در اندیشه استفاده از این نوع چاپگرهای سه‎بعدی برای ساخت سریع خانه‌هایی است که فضانوردان آینده در ماه و مریخ قرار است در آنها سکونت کنند.

بتون پذیرای آب

در طول یک توفان سهمگین یا بارندگی شدید، سطح جاده‌ها، پیاده‌روها و پارکینگ‌ها پر از چاله‌های آب گرفته می‌شود. در این شرایط انواع آلاینده‌ها و مواد شیمیایی سمی بالقوه مثل بنزین مستقیم به فاضلاب می‌ریزند و آن را آلوده می‌کنند.

طبیعت روش خود را برای از بین بردن سموم آب باران دارد و از خاک به عنوان فیلتری فوق‌العاده استفاده می‌کند. مواد غیرارگانیک موجود در آب باران هنگام عبور از لایه‌های مختلف خاک، جذب میکروارگانیسم‌ها می‌شود، اما در معابر بتونی این سموم امکان جذب خاک شدن را ندارند و روی سطح باقی می‌مانند. براساس این نیاز، مهندسان عمران و سازه، نوعی بتون قابل نفوذ طراحی کردند که آب باران را به لایه‌های زیرین هدایت می‌کند و اجازه می‌دهد طبیعت به ادامه کار خود بپردازد.

در واقع بتون قابل نفوذ از قطعات بزرگ‌تر سنگ و ماسه تشکیل شده است که 15 تا 25 درصد فضای یک سنگفرش را می‌پوشانند. صفحات بتون نفوذپذیر بالای سنگفرش ریخته یا با یک ماده متخلخل دیگر ترکیب می‌شوند که اجازه می‌دهد آب باران جذب خاک زیر سطح شود. بتون قابل نفوذ علاوه بر این که آب سطحی را به زیرسطح هدایت می‌کند، به علت رنگ روشن‌تری که دارد، نور خورشید را بیشتر بازتاب می‌کند و در تابستان خنک‌تر باقی می‌ماند.

عایقی به سبکی هوا

آیروژل یکی از کم‌چگال‌ترین مواد روی زمین است. ماده جامد فوم مانند آیروژل با وجود وزن بسیار سبکی که دارد، می‌تواند بخوبی شکل خود را حفظ کند. بعضی از انواع این ماده، چگالی فقط سه برابر سنگین‌تر از هوا دارند و البته آیروژل در شرایط عادی 15 برابر چگال‌تر از هواست.

عنوان ژل در نام این ماده این تصور را ایجاد می‌کند که با مایع مرطوبی سروکار داریم، اما آیروژل، ژلی است که قسمت مایع آن حذف شده است و فقط ساختار سیلیکا باقی‌مانده که بین 90 تا 99 درصد از هوا تشکیل شده است. آیروژل بسیار سبک وزن است و می‌توان از آن ورقه‌های بسیار نازک تهیه کرد. در پروژه‌های ساختمانی، این ورقه‌ها نقش عایق‌های فوق‌العاده‌ای را ایفا می‌کنند و ساختار متخلل این ماده گرما را بسختی عبور می‌دهد. این عایق‌ها قدرتی دو تا سه برابر عایق‌های فومی یا فایبرگلاس دارند و قیمت تمام شده آنها نیز کمتر است.