Como Caitlin Mueller, pesquisador, designer e professor do MIT, aponta: "o maior valor que se pode dar a um material é dá-lo um papel de carga em uma estrutura". Os componentes de carga - fundações, vigas, colunas, paredes etc. - são projetados para resistir às forças e movimentos permanentes ou variáveis. Semelhante aos ossos do corpo humano, eles apoiam, protegem e mantêm tudo unido. Para cumprir essa função indispensável, devem ser feitos de materiais com excelentes propriedades mecânicas, o que explica o destaque de concreto e aço em estruturas. No entanto, seu alto desempenho tem um alto custo ambiental: juntos, eles representam 15% das emissões globais de CO2 no mundo. Isso nos faz pensar: é possível que os materiais estruturais sejam realmente sustentáveis? Conhecemos soluções como versões mais ecológicas de concreto, mas há muitas outras alternativas para explorar. E, às vezes, a resposta está mais próxima do que esperamos; na terra embaixo de nós ou na natureza que nos rodeia.
Os materiais derivados da natureza - também chamados materiais biológicos ou biomateriais - como micélio, cânhamo, palha e cortiça há muito tempo são utilizados na indústria de arquitetura e design. Apesar do desenvolvimento contínuo, eles tendem a estar associados ao revestimento e acabamentos, e não a sistemas fortes, duráveis e autoportantes. Juntamente com novas tecnologias, a pesquisa tem avançado tremendamente, resultando em inovações biológicas que mostram um grande potencial em aplicações estruturais. Abaixo, apresentamos três exemplos promissores que substituem aço, concreto e calcário. Embora estes estejam em estágios experimentais ou iniciais de desenvolvimento, eles certamente contribuem para pavimentar o caminho para um ambiente futuro mais sustentável.
Forquilhas descartadas de árvores
Forquilhas são as partes de uma árvore onde o tronco ou galho se divide em dois, formando uma peça em forma de Y. Embora excepcionalmente fortes, elas são rejeitadas na construção de madeira porque não são retas. A maioria das articulações estruturais, por outro lado, é feita de aço cuja produção é altamente intensiva em emissões de carbono. Nesse contexto, um grupo de pesquisadores do MIT, composto pelo Building Technology Program, o Professor Caitlin Mueller e seu grupo Digital Structures, trouxe uma abordagem inovadora. Considerando arquiteturas preenchidas com nós em forma de Y, onde os elementos retos são reunidos, eles desenvolveram juntas portantes feitas de forquilhas de árvores descartados. Seguindo a tendência de construção de madeira que busca substituir componentes de concreto e aço, isso abre uma oportunidade para obter ganhos adicionais de sustentabilidade através do uso de seções irregulares de árvores. Normalmente, essas partes são queimadas ou moídas, liberando o carbono preso na madeira na atmosfera.
Forquilhas de árvores são conexões estruturais naturalmente projetadas que funcionam como vigas em árvores, o que significa que elas têm o potencial de transferir força com muita eficiência, graças à estrutura das fibras internas. - Caitlin Mueller
A estratégia é fazer o "upcycle" destes materiais residuais usando-os na construção como componentes estruturais. Como? Com ferramentas digitais e computacionais avançadas, é possível distribuir as forquilhas descartadas entre nós em forma de Y em projetos de arquitetura. Eles são alocados de uma maneira que maximiza o uso da força inerente na fibra de madeira e, em seguida, reposicionados instantaneamente se o arquiteto mudar o desenho. Para orientar o processo de corte, os pesquisadores usam um algoritmo personalizado que calcula os cortes necessários para fazer com que uma forquilha se ajuste em seu nó atribuído. E para reunir tudo, é preciso simplesmente seguir as instruções: “A usinagem robótica acionada por computador ajusta e marca as forquilhas de árvores para facilitar a montagem com elementos de madeira retos”. No futuro, a equipe planeja trabalhar com bibliotecas de materiais maiores, como forquilhas de várias ramificações, e incorporar novas tecnologias de escaneamento.
Colunas de micélio impressas em 3D
Os Fungos, grupo mais abundante de microorganismos do solo, desempenham vários papéis significativos nos ecossistemas, sendo desde uma importante fonte de alimento até fornecedores de nutrientes às plantas. Reconhecendo essas vantagens, Blast Studio desenvolveu uma maneira de imprimir tridimensionalmente uma coluna estrutural de dois metros de altura - conhecida como Tree Column - de resíduos e micélio, o sistema radicular dos fungos. O processo de produção começa com a coleta de copos de café de papelão descartados e fervendo as peças desfiadas em água para produzir uma polpa esterilizada. Misturado com o micélio, isso cria uma pasta de biomassa que mais tarde é impressa em 3D para formar 10 módulos separados, que são empilhados um sobre o outro e fundidos com mais micélio.
A forma rugosa e ondulada da peça é projetada algoritmicamente para manter a umidade e proteger do fluxo de ar, recriando um clima ideal para o crescimento de cogumelos. Mas o design também tem um propósito estrutural; Graças à elasticidade do material, a coluna é leve e eficiente em compressão e flexão. Uma vez solidificada, atinge uma capacidade estrutural semelhante às chapas de fibra de média densidade (MDF), o que significa que o micélio pode substituir o concreto em pequenos edifícios. Portanto, a tecnologia é capaz de criar, sem formas ou concretagens, volumes complexos que otimizam o desempenho e substituem os materiais estruturais tradicionais. Atualmente, o Blast Studio pretende ampliar a tecnologia para imprimir um pavilhão e espera construir edifícios no futuro, o que potencialmente permitiria que as cidades cultivassem a arquitetura a partir de resíduos, fornecendo alimentos para seus habitantes.
Calcário cultivado em algas
O cimento Portland, o tipo mais comum de cimento, é feito com calcário extraído, que é queimado em altas temperaturas e representa grande parte das emissões de gases do efeito estufa. Com isso em mente, uma equipe de pesquisa da University of Colorado Boulder criou um calcário biologicamente cultivado que poderia potencialmente tornar a produção de cimento neutra em carbono (ou mesmo negativo). A ideia surgiu quando Wil V. Srubar, que lidera o Living Materials Laboratory na CU Boulder, observou nos recifes de coral como a natureza é capaz de cultivar suas próprias estruturas duráveis e duradouras de carbonato de cálcio - componente principal do calcário. Junto com sua equipe, ele começou a cultivar cocolitóforos, algas de célula única que, através da fotossíntese, podem sequestrar e armazenar CO2 em forma mineral. Com a luz solar, a água do mar e o dióxido de carbono dissolvido, esses organismos microscópicos produzem as maiores quantidades de carbonato de cálcio no planeta.
Se toda a construção baseada em cimento em todo o mundo fosse substituída por cimento biogênico de calcário, a cada ano, 2 gigatons de dióxido de carbono não seriam mais bombeados para a atmosfera e mais de 250 milhões de toneladas adicionais de dióxido de carbono seriam retiradas da atmosfera e armazenada nesses materiais. - Kelsey Simpkins, University of Colorado Boulder
Dessa maneira, o calcário cultivado em algas se torna uma alternativa ecológica. E como o método envolve o uso de concreto como o conhecemos, ele já pode ser usado em aplicações estruturais em grande escala. Essencialmente, permite as mesmas propriedades mecânicas e capacidades do concreto, mas com a possibilidade de mitigar muitos dos efeitos ambientais prejudiciais gerados pelo cimento tradicional. Olhando para o futuro, as próximas etapas envolvem o aumento da produção para avançar em direção à comercialização, mas as possibilidades já estão claras: esta versão caseira do calcário cria uma oportunidade de transformar estruturas futuras em sumidouros de carbono, bem como “melhorar a qualidade do ar, reduzir danos ambientais e aumentar o acesso equitativo aos materiais de construção em todo o mundo.”
Para substituir os materiais de emissões estruturais intensivos em emissões, as alternativas de base biológica devem ser acessíveis e fáceis de produzir. Mas, independentemente dos próximos desafios, elas abrem infinitas possibilidades; De mãos dadas com novas tecnologias, só poderia ser uma questão de tempo para se traduzirem em um ambiente mais saudável.
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