Thế hệ vật liệu xây dựng bền vững mới dựa trên công nghệ sinh học và công nghệ xanh

Vật liệu xây dựng chịu trách nhiệm cho 11% tổng lượng khí phát thải carbon

Do đó, ngành công nghiệp AEC (Architecture, Engineering và Construction – Kiến trúc, Kỹ thuật và Xây dựng) cần phải hạn chế lượng khí CO₂ phát thải từ việc đánh giá lại vai trò, hiệu quả và tính bền vững của những vật liệu truyền thống. Trong bối cảnh đó, vật liệu công nghệ sinh học đang được phát triển với đặc tính tạo ra năng lượng và tự phục hồi, được kỳ vọng là sự phá bỏ ranh giới giữa sinh học và khoa học vật liệu, cũng như có khả năng tạo ra con đường mới cho một loại kiến ​​trúc mới. Mặc dù sự đổi mới trong khoa học vật liệu vẫn còn nhiều thách thức để tiến đến giai đoạn thương mại hóa như những vật liệu truyền thống, nhưng nó hứa hẹn sẽ đem lại sự thay đổi đáng kể cho ngành xây dựng – kiến trúc.

Một trong những thành quả khoa học đáng ngạc nhiên của công cuộc đổi mới vật liệu xây dựng là vật liệu xây dựng sống (Living Building Materials – LBM). LBM là một lĩnh vực nghiên cứu đang được mở rộng nhanh chóng, phục vụ nhiều mục tiêu khác nhau, từ giảm phát thải carbon, tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên, phát triển các đặc tính sáng tạo đến tăng cường hấp thụ carbon. Nằm ở giao điểm của thiết kế, khoa học vật liệu, hóa học và kỹ thuật sinh học, vật liệu xây dựng sống chứa các vi sinh vật sống trong cấu trúc, thông qua đặc tính sinh học của chúng để xây dựng và bồi đắp công trình mà không làm ảnh hưởng đến môi trường, đồng thời nâng cao tính bền vững và thời hạn sử dụng. Các nghiên cứu đã chỉ ra, LBM có thể thay đổi và thay thế hoàn toàn những vật liệu không bền vững dùng trong kiến trúc, xây dựng bởi những ưu điểm vượt trội sau:

Thứ nhất, vật liệu sống có thể tăng trưởng hữu cơ. Tại Đại học Colorado Boulder (Mỹ), phòng thí nghiệm Vật liệu Sống đã nghiên cứu ra một loại vật liệu xây dựng mới không chứa xi măng và có thể tái chế hoàn toàn. Nhóm nghiên cứu đã sử dụng vi khuẩn lam, loại vi sinh vật màu xanh lục tương tự như tảo (sử dụng CO₂ và ánh sáng mặt trời để phát triển) để sản xuất xi măng sinh học giúp cô lập CO₂ trong cấu trúc. Khai thác đặc tính sinh sôi theo cấp số nhân của vi khuẩn, các nhà nghiên cứu đã phát triển thành các khối vật liệu xây dựng bằng một phương pháp sản xuất tiềm năng mới với việc bồi đắp khối cấu trúc bằng sinh trưởng hữu cơ. Công nghệ này đã được công ty Biomason ứng dụng trong sản phẩm xi măng thương mại mang tên Biocement, từ đó tạo ra những công trình xây dựng bền vững từ vật liệu sinh học, an toàn và thân thiện với môi trường tự nhiên.

Bên cạnh vật liệu sống từ vi khuẩn, sợi nấm cũng được sử dụng trong sáng chế vật liệu sinh học với đặc tính cách nhiệt tốt, có khả năng chống cháy và không tạo ra khí độc. Sợi nấm cũng là loại sinh vật sinh trưởng nhanh và tạo ra một dạng cấu trúc rỗng, nhẹ mà bền chắc. Dựa vào đặc tính này, năm 2014, công ty kiến trúc The Living đã tạo ra Hy-Fi, công trình kiến ​​trúc quy mô lớn đầu tiên được làm bằng gạch sợi nấm. Sau quá trình “trồng” trong khoảng thời gian 5 ngày, những viên gạch hoàn chỉnh được xếp chồng lên nhau để tạo ra một cấu trúc gồm ba hình trụ hợp nhất.

Bên trong Hy-Fi, công trình quy mô lớn đầu tiên được xây dựng từ gạch sợi nấm

Thứ hai, đặc điểm ưu việt nữa của vật liệu xây dựng sống là khả năng tự sửa chữa. Tại Học viện Bách khoa Worcester, một trong những trường đại học kỹ thuật và công nghệ đầu tiên của Hoa Kỳ, các nhà nghiên cứu đã phát triển một loại bê tông tự phục hồi biến CO₂ trong khí quyển thành các tinh thể canxi cacbonat, có khả năng bịt kín các vết nứt nhỏ cỡ milimet và ngăn ngừa sự hư hại và hao mòn vật liệu. Không giống như các thí nghiệm với bê tông tự phục hồi bằng cách sử dụng vi khuẩn, quá trình này nhanh hơn và không gây ra bất kỳ vấn đề nào về an toàn xây dựng và an toàn sinh học.

Cụ thể, các nhà khoa học sử dụng sử dụng carbonic anhydrase (CA), một loại enzym có trong tế bào hồng cầu giúp nhanh chóng vận chuyển CO₂ từ các tế bào đến dòng máu. Enzyme CA, được thêm vào bột bê tông trước khi trộn và đổ, hoạt động như một chất xúc tác khiến CO₂ trong khí quyển tạo ra các tinh thể canxi cacbonat, có chất nền tương tự như chất nền của bê tông. Khi một vết nứt nhỏ hình thành trong cấu trúc bê tông, enzym CA tác dụng với CO₂ trong không khí, kích hoạt sự phát triển của vật chất mới và lấp đầy vết nứt. Quy trình lấp đầy các vết nứt cỡ milimet có thể được hoàn thành trong 24 giờ. Loại bê tông tự phục hồi đặc biệt này còn có độ bền gấp 4 lần bê tông truyền thống, từ đó kéo dài tuổi thọ của công trình xây dựng và tiết kiệm chi phí sửa chữa, bảo dưỡng.

Thứ ba, vật liệu xây dựng sống có tính ứng dụng và thực nghiệm. Đương nhiên, một loại vật liệu chỉ phát huy tác dụng trong phòng thí nghiệm thì không thể được coi là một loại vật liệu tốt. Từ phòng thí nghiệm, nhiều dự án thực nghiệm trên thế giới đã được triển khai và cho thấy, trên thực tế vật liệu xây dựng sống có thể đóng nhiều vai trò trong một công trình xây dựng.

Trung tâm Công nghệ Sinh học trong Môi trường Xây dựng (HBBE) là một dự án nghiên cứu của tập hợp các nhà sinh học từ Đại học Northumbria và các kiến ​​trúc sư, nhà thiết kế và kỹ sư từ Đại học Newcastle nhằm phát triển công nghệ sinh học giúp tạo ra những tòa nhà thích ứng tốt với điều kiện môi trường.

Dự án thực nghiệm tập trung vào 4 chủ đề cốt lõi. Thứ nhất, xây dựng sự trao đổi chất, trong đó phát triển công nghệ vi sinh vật mới đóng vai trò trong việc xây dựng cơ chế chuyển hóa – xử lý chất thải, tạo ra năng lượng từ ánh sáng mặt trời, nước thải và rác thải sinh hoạt. Thứ hai, xây dựng thế hệ vật liệu sống mới được chế tạo với số lượng lớn và được hoạt hóa một cách thông minh bằng cách sử dụng quy trình vi sinh vật. Thứ ba, phát triển môi trường vi sinh vật thông qua tính toán về sự tương tác giữa môi trường xây dựng và hệ vi sinh vật, xây dựng môi trường lành mạnh bằng cách nuôi cấy hoặc tác động đến hệ vi sinh thông qua thiết kế của tòa nhà và sự tương tác của con người. Thứ tư, tăng cường sự tương tác có trách nhiệm giữa các hệ thống tự nhiên, công nghệ sinh học, môi trường xây dựng và các nền văn hóa. Các sáng kiến nghiên cứu đều được thử nghiệm trực tiếp trên một công trình được xây dựng trong khuôn viên Đại học Newcastle.

Tòa nhà thử nghiệm OME thuộc dự án HBBE

Trong khi đó, phòng thí nghiệm Nghiên cứu Thiết kế tích hợp tại Đại học Bắc Carolina Charlotte (Mỹ) đã phát triển một hệ thống mặt tiền vi tảo có tên Biochromic Window, với khả năng có thể thay đổi linh hoạt để cải thiện chất lượng không khí trong nhà và sản xuất năng lượng tái tạo thông qua các bộ phản ứng quang học tích hợp. Với Biochromic Window, không khí được đưa vào trong hệ thống mặt tiền sau đó, oxy do tảo tạo ra được đưa vào hệ thống HVAC của tòa nhà. Tảo tươi thường xuyên được bổ sung vào hệ thống, và những cây tảo đã hấp thụ carbon sẽ chìm xuống dưới đáy, sau đó được chuyển đến một bộ phận chuyển hóa chúng thành nhiên liệu sinh học. Hệ thống đã được điều chỉnh và phát triển để sử dụng cho mục đích thương mại.

Biochromic Window, hay còn gọi là hệ thống cửa sổ vi tảo là sản phẩm nghiên cứu của Đại học Bắc Carolina Charlotte