التصنيع بالإضافة
هل يمكن للخرسانة المطبوعة ثلاثيًا أن تنقذ البيئة؟
أضف Securities.io إلى مصادرك المفضلة على Google
الخرسانة موجودة دائمًا حولنا. من المنازل والمكاتب ومباني المدارس إلى المتاجر والسدود والجسور والأرصفة والطرق، تساعد الخرسانة في بناء الهياكل التي نستخدمها يوميًا.
ليست مادة جديدة بأي حال من الأحوال. في الواقع، يعود أقدم تسجيل للهياكل الخرسانية إلى عام 6500 قبل الميلاد في مناطق سوريا والأردن. ثم، بالطبع، لدينا الرومان الذين استخدموا الخرسانة على نطاق واسع في بناءاتهم. والآن، بعد قرون، لا تزال العديد من هذه الهياكل قائمة حتى اليوم.
على مر السنين، زاد استخدام الخرسانة فقط، حيث بلغ حجم سوق الخرسانة العالمي $687.2 billion في عام 2021. ومن المتوقع أن ينمو إلى $821.6 billion بحلول عام 2026، مما يوضح الدور الذي تلعبه الخرسانة في حياتنا.
هذا التوسع مدفوع بنمو قطاع البناء بالإضافة إلى زيادة الاستثمارات في مشاريع البناء الجديدة حول العالم. كما يساهم النمو الاقتصادي والتحضر السريع في ارتفاع الطلب على المجمعات السكنية والتجارية في جميع أنحاء الكرة الأرضية. كلما نمت المدن، زاد الحاجة إلى البنية التحتية، ومع ذلك، الحاجة إلى الخرسانة.
بينما نعلم أن الطلب على الأسمنت مستمر منذ قرون، لماذا هو شائع إلى هذا الحد؟ وهل كل شيء جيد؟ حسنًا، دعونا نكتشف!
الخرسانة: الحاجة الخطرة للعالم
قبل أن نفهم ما يجعل الخرسانة ذات قيمة عالية، دعونا نرى ما هي بالضبط. إنها مزيج من الأسمنت (أو الجير)، الماء، والركام، وهي مجموعة من الجسيمات الطبيعية أو الصناعية مثل الرمل، الحصى، أو الصخور المسحوقة.
هنا، الأسمنت، وهو مزيج مصنع من الكالسيوم والحديد والسيليكون والألمنيوم، إلى جانب مكونات أخرى، هو المادة الرابطة التي تمنح الخرسانة خصائص التصلب، بينما يُفعِّل الماء الأسمنت لتكوين مادة كثيفة.
ما يجعل هذه المادة المركبة ذات قيمة هو خصائصها، بما في ذلك القابلية للتشكيل — قدرة الخرسانة المخلوطة حديثًا على تشكيلها إلى أي شكل تقريبًا — والمتانة — أي أنها يمكن أن تدوم لسنوات عديدة. يمكن تعديل هذه المادة الميسورة التكلفة لتلبية احتياجات البناء المختلفة.
تشمل الخصائص الجذابة الأخرى للخرسانة سهولة استخدامها، قوتها، وقدرتها على تحمل ليس فقط الأحمال الثقيلة والضغط، بل أيضًا الظروف الجوية القاسية والكوارث الطبيعية مثل الزلازل والأعاصير.
ثم هناك قدرة الخرسانة على احتفاظها بالحرارة، ومقاومتها للحريق، وسهولة إصلاحها إذا حدث أي ضرر. كل هذه الخصائص تجعل الأسمنت منتجًا ذا قيمة عالية، مما أدى إلى ارتفاع استخدامه بشكل كبير.
عندما يتعلق الأمر بحالات استخدام الخرسانة، فإن لها تطبيقات متعددة في صناعة البناء. في الواقع، الخرسانة هي المادة الإنشائية الأكثر استخدامًا في العالم بعد الماء. تُستخدم في بناء السدود، الجسور، الطرق السريعة، المطارات، الطرق، القنوات، الخزانات، والرصف، إلى جانب المباني السكنية، المجمعات التجارية، وغيرها من الهياكل الحاملة للأحمال.
ببساطة، الخرسانة مادة أساسية في البناء، تلعب دورًا حيويًا في تشكيل البنية التحتية حولنا.
لكن هذا لا يعني أن للخرسانة فوائد فقط. في الواقع، هي خطرة للغاية.
في البداية، يُعزى الأسمنت إلى 1.6 billion metric tonnes من ثاني أكسيد الكربون (CO2)، وهو ما يمثل حوالي 8٪ من انبعاثات CO2 العالمية. وتعزز الاعتماد الكبير لقطاع البناء على الأسمنت من بصمته الكربونية الضخمة.
في الوقت نفسه، يُعزى تصنيع الأسمنت البورتلاندي العادي (OPC) إلى 5٪ إلى 8٪ من انبعاثات CO2 البشرية العالمية. عند extrapolation لجميع الأنشطة المتعلقة بالبناء، تُظهر أحدث الأبحاث صورة مقلقة، حيث يأتي ما يقرب من 40٪ من انبعاثات CO2 المرتبطة بالطاقة من هذا القطاع، الذي يستهلك 36٪ من الطاقة النهائية للعالم.
هذا أمر مقلق للغاية لأن انبعاثات CO2 من المتوقع أن تصل إلى رقم قياسي قدره 37.41 GtCO2. كما أن انبعاثات CO2 هي السبب الرئيسي للاحتباس الحراري، ووفقًا لتقرير IPCC، من المتوقع أن يصل الاحترار العالمي بمعدله الحالي إلى 1.5 °C فوق مستويات ما قبل الصناعة بين عامي 2030 و2052.
نظرًا لتداعيات الخرسانة البيئية، بينما يبلغ معدل استهلاكها السنوي 30 مليار طن ومن المتوقع أن يرتفع باستمرار، من المهم أن يتصدى الجميع، من المبتكرين إلى المؤسسات والحكومات، لهذه المشكلة مباشرة.
تقدم البناء باستخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد
الخرسانة، كما أشرنا أعلاه، هي شر ضروري لأنه على الرغم من فوائدها الكبيرة وأهميتها للحضارة، إلا أنها ضارة حقًا للكوكب الذي يواجه بالفعل إزالة الغابات، وتغير المناخ، وفقدان التنوع البيولوجي، وأكثر من ذلك.
أضف الخرسانة إلى المزيج، وستزداد الأمور سوءًا. لكن ماذا لو كان هناك طريقة لمعالجة الآثار الضارة لهذه المادة الإنشائية الشهيرة؟
حسنًا، أولاً، تتطور الخرسانة لتلبية الاحتياجات المعقدة والمتقدمة للعالم. كما شاركنا سابقًا، تُستخدم المواد المتقدمة مثل الجرافين والقنب بشكل متزايد في مواد البناء. حتى الأسمنت الخالي من الكربون يُنتج عن طريق استبدال الحجر الجيري أو استخدام الحجر الجيري المستند إلى الوقود الأحفوري.
هناك حل آخر، وهو الطباعة ثلاثية الأبعاد. صحيح! نفس الطريقة التي تُستخدم لإنشاء الفن، والأثاث، وغيرها من المنتجات الاستهلاكية، بالإضافة إلى الطب الشرعي، والأطراف الصناعية، والجراحة، تغير أيضًا قواعد اللعبة في مجال البناء.
الطباعة ثلاثية الأبعاد أو التصنيع الإضافي، التي تتضمن إنشاء أجسام ثلاثية الأبعاد من ملف رقمي عن طريق وضع طبقات من المادة، اكتسبت زخمًا كبيرًا بفضل فوائدها مثل النمذجة السريعة، والتخصيص، وتوفير التكاليف، وتقليل نفايات المواد، وتعزيز الابتكار، والاستدامة.
تُستخدم هذه التقنية الآن في البناء، وهذا ليس جديدًا بحد ذاته، حيث تم استخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد في البناء منذ عقود عديدة. ومع ذلك، نما استخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد بشكل كبير في السنوات الأخيرة لتسريع العملية بشكل ملحوظ، وتحسين استخدام المواد، واستكشاف تصاميم معقدة وهياكل مخصصة، وتسهيل البناء عن بُعد، وتعزيز السلامة.
تشمل الفوائد المتعددة للطباعة ثلاثية الأبعاد أيضًا سلاسل إمداد أقصر بفضل البناء في الموقع وانخفاضًا كبيرًا في مخاطر مكان العمل نتيجة تقليل الحاجة إلى العمالة اليدوية في العمليات عالية المخاطر.
هذا العام، رأينا فعليًا أكبر حي مطبوع ثلاثيًا في العالم في تكساس يقترب من الانتهاء بعد عامين من البناء. شركة البناء المطبوعة ثلاثيًا ICON هي وراء هذا المشروع.
شركة خاصة، ICON لا تطبع فقط المنازل السكنية بل تشارك أيضًا في الدفاع والبناء خارج الأرض. قبل أقل من عقد من الزمن، جمعت ICON ما مجموعه 451 مليون دولار، مما رفع تقييمها إلى حوالي 2 مليار دولار. الشركة متعاقدة فعليًا مع ناسا لبناء منصات هبوط، وملاجئ، وهياكل أخرى على القمر كجزء من برنامج استكشاف القمر أرتميس.
في عام 2018، بنت أول منزل مسموح بمساحة 350 قدم مربع مطبوع ثلاثيًا في الولايات المتحدة، والذي استغرق يومين فقط. تم بناء المنزل باستخدام الخرسانة لأن الرئيس التنفيذي لشركة ICO، جيسون بالارد، صرح:
“إنها واحدة من أكثر المواد صمودًا على الأرض.”
لمجتمعها في تكساس، تستخدم الشركة طابعتها فولكان، التي تشبه إلى حد كبير طابعة ثلاثية الأبعاد مكتبية عادية، وتطبع طبقة بطبقة. الاختلاف في طابعة فولكان هو أنها بعرض 45 قدمًا وتزن 4.75 طنًا.
فيما يتعلق بعملية الطباعة، يُخلط مسحوق الخرسانة مع الرمل، والماء، وإضافات أخرى ثم يُضخ إلى الطابعة. ثم يُضغط مزيج الخرسانة عبر فوهة على فرشاة، التي تبني الطبقة بطبقة وفق مسار مبرمج مسبقًا.
قامت الطابعة الروبوتية ببناء 100 منزل مطبوع ثلاثيًا في ما تقول إنه أكبر مجتمع مطبوع ثلاثيًا في العالم. مع كون الطباعة ثلاثية الأبعاد أسرع، وأقل تكلفة، وتقلل من نفايات مواد البناء، وتحتاج إلى عدد أقل من العمال، فإنها تجلب “الكثير من الكفاءة لسوق التجارة” وفقًا للشركة.
هذا مجرد البداية، كما يتضح من النمو المتوقع لسوق البناء بالطباعة ثلاثية الأبعاد. بلغت قيمته 5.5 مليار دولار العام الماضي، ومن المتوقع أن ينمو السوق العالمي للبناء بالطباعة ثلاثية الأبعاد بمعدل نمو سنوي مركب 105.8٪ ليصل إلى 3.3 تريليون دولار بحلول عام 2032.
قد تبدو هذه الأرقام مذهلة في البداية، ولكن كما شاركنا في مقالتنا السابقة، قد تظهر الطباعة ثلاثية الأبعاد كحل محتمل لمشكلة نقص المساكن الخطيرة، مما يجعل هدف التريليون دولار احتمالًا حقيقيًا.
نظرًا للاهتمام الهائل بطباعة البناء ثلاثيًا، من المنطقي أيضًا استغلال هذه التقنية لتغيير سوق البناء نحو الأفضل. وهذا بالضبط ما يفعله العلماء من جامعة نانيانغ التكنولوجية (NTU) في سنغافورة.
تقدم الباحثون خطوة أخرى أو أعمق من خلال طباعة الخرسانة نفسها ثلاثيًا. لهذا، طوروا طريقة طباعة خرسانة ثلاثية الأبعاد تلتقط الكربون، مما يبرز طريقة جديدة لتقليل الأثر البيئي لصناعة البناء.
انقر هنا لتعرف ما إذا كانت الطباعة ثلاثية الأبعاد يمكن أن تساعدنا في معالجة نقص المساكن.
طباعة الخرسانة ثلاثيًا التي تلتقط CO2
في وقت سابق من هذا الشهر، نشر علماء NTU بحثهم حول “التقاط الكربون وتخزينه باستخدام طباعة خرسانة ثلاثية الأبعاد مدمجة مع CO2 والبخار في الموقع.”
فصل البحث الطريقة المبتكرة التي تهدف إلى تقليل البصمة الكربونية للأسمنت بشكل كبير من خلال خفض استهلاك المواد، ومتطلبات العمالة، ووقت البناء.
كما يُقترح أن التنمية المستدامة عبر طباعة الخرسانة ثلاثيًا قد تضيف ما يصل إلى 5٪ من خفض استهلاك الطاقة العالمي. هذه الفوائد البيئية قد تكون مساوية لقدرتها على تبسيط عمليات البناء.
مع ذلك، تم خلط CO2 في الخرسانة من قبل، كما يفعل الدراسة الأخيرة، بهدف تحسين جودة المادة والمساعدة في تقليل الأثر البيئي السلبي للأسمنت.
أظهرت الدراسات المبكرة بالفعل تحسينات في الخصائص الميكانيكية للخرسانة من خلال خلط مباشر دفعي مع CO2 وتعريض الخرسانة لـ CO2 أثناء الإنتاج في غرف الكربنة بسبب تكوين “قشرة كربونية”.
أفادت الدراسات السابقة بزيادة تقريبًا 15 مرة في مقاومة الاختراق وامتصاص كربون يصل إلى 1.16٪ في نصف ساعة فقط من خلط الملاط بـ CO2. أظهر تعديل عملية المعالجة بالتكربن المتسارع (ACC) مزيدًا من امتصاص الكربون بنسبة 1.98–25.5٪.
بينما ركز البحث حول طباعة الخرسانة ثلاثيًا إلى حد كبير على تصميم خلطات أسمنتية خضراء لتقليل بصمتها الكربونية، أشارت الدراسة الأخيرة إلى أن عددًا قليلًا قد نظر في تحسين تقنيات المعالجة، لا سيما لتعزيز قدرة التقاط الكربون الضخمة وتخزينه (CCS).
أشار الباحثون إلى أن الدراسات حول كربنة المواد الأسمنتية، خاصةً التركيز القليل على الأعماق، هي السبب في أن تنفيذها على نطاق واسع يثير مخاوف بشأن الصلاحية. ولا ننسى أن حلول CCS المحصورة في غرف تواجه قيودًا من حيث الأجهزة واستهلاك الطاقة عند تطبيقها مع طباعة الخرسانة ثلاثيًا (3DCP). ونتيجة لذلك، تتعرض فوائد البناء القابل للتوسع، المؤتمت، وعلى الموقع للضرر.
هذا يخلق حاجة لتطوير عملية كربنة صناعية لطباعة الخرسانة ثلاثيًا تتجاوز تقنيات المعالجة التقليدية.
وبالتالي، طور باحثو NTU عملية جديدة لدراسة فعاليتها في حجز ثاني أكسيد الكربون.
تشمل التقنية المطورة حديثًا نظامًا يعتمد على البثق على خطوتين. الخطوة الأولى هي حقن CO2 والبخار في الخرسانة المخلوطة. ثم يدمج الخليط ويخزن CO2 مباشرة في هيكل الخرسانة. يتم التقاط CO2 والبخار المعنيين كمنتجات فرعية للعمليات الصناعية.
أظهر هذا النهج الجديد زيادة بنسبة 38.2٪ في امتصاص الكربون الضخم، مقدماً طريقة أخرى لتحقيق بناء خالٍ من الكربون عبر طباعة الخرسانة ثلاثيًا.
تصميم ملحق رأس الطباعة المملوك، الذي يسهل حقن الإضافات الغازية والسائلة بشكل منظم، يهدف إلى معالجة القضية الحرجة المتعلقة بالاستدامة البيئية في البناء المؤتمت. كما يعالج مسألة متطلبات الضبط حسب الطلب، ولكن الأهم من ذلك، نقص حلول CCS المتاحة بسهولة والمتوافقة مع طباعة الخرسانة ثلاثيًا.
ليس فقط أن الطريقة الجديدة تقلل من البصمة الكربونية للأسمنت، بل أظهرت أيضًا تحسين الخصائص الميكانيكية للخرسانة. وهذا بدوره يمنح الهيكل قوة كبيرة مقارنةً بالخرسانة المطبوعة ثلاثيًا التقليدية.
وفقًا للورقة البحثية، أدى دمج CO2 والبخار إلى زيادة تصل إلى 50٪ في قابلية الطباعة ثلاثيًا، و45.3٪ في قوة الانحناء، و36.8٪ في قوة الضغط.
استنتج الباحثون أن العينات التي تعرضت للطباعة المتكاملة بـ CO2 والبخار والمعالجة في الهواء المفتوح حققت أعلى امتصاص للكربون. وفقًا للباحثين:
“توفر الحل المقترح مسارًا واعدًا نحو بناء خالٍ من الكربون مع توسيع الخيارات القابلة للتطبيق لتقنية CCS إلى ما وراء طرق المعالجة التقليدية المحصورة.”
أشار الفريق أيضًا إلى تحسين تكوينات الطباعة، وتصاميم الخلطات، وحقن غازات العادم لتقليل هدر مادة أولية من ثاني أكسيد الكربون النقي كمجالات محتملة للبحث المستقبلي.
شركة قابلة للاستثمار في مجال الطباعة ثلاثية الأبعاد
الآن، دعونا نلقي نظرة على شركة مدرجة في البورصة تشارك في سوق الطباعة ثلاثية الأبعاد، والذي يُقدَّر بقيمة 17.5 مليار دولار في عام 2024 ومن المتوقع أن ينمو بمعدل نمو سنوي مركب 16.4٪ إلى 37.4 مليار دولار خلال السنوات الخمس القادمة، مما يحقق تقدمًا في القطاع ويساعد على تحسين العالم.
1. Stratasys Ltd.
تُعد Stratasys اسمًا مشهورًا في مجال الطباعة ثلاثية الأبعاد، وتقدم حلولًا عبر عدة قطاعات. تساهم تقنيات الشركة في تقدم مجال الطباعة ثلاثية الأبعاد.
بقيمة رأس مال سوقية تبلغ 689.5 مليون دولار، تتداول أسهم Stratasys حاليًا عند 9.66 دولار، بانخفاض 32.35٪ هذا العام. تمتلك الشركة ربحية السهم (EPS) للـ 12 شهرًا الأخيرة مقدارها -1.32 ومعدل السعر إلى الأرباح (P/E) للـ 12 شهرًا الأخيرة مقدارها -7.30.
في الربع الثالث من عام 2024، أبلغت Stratasys عن إيرادات قدرها 140.0 مليون دولار، بارتفاع عن 162.1 مليون دولار المسجلة في نفس الربع من العام الماضي. مع هذه الأرقام، شهدت إيرادات الشركة المتكررة للمواد الاستهلاكية نموًا سنويًا على مدار ثمانية أرباع متتالية، وهو ما صرحت الشركة أنه “يعكس استمرار الاستخدام القوي للطابعات”.
SSYS مخطط السعر
تحسّن هامش الربح الإجمالي وفقًا لمبادئ المحاسبة المقبولة عمومًا (GAAP) لشركة Stratasys إلى 44.8٪، بينما بلغ صافي الخسارة وفقًا لـ GAAP 26.6 مليون دولار، وبدأ صافي الدخل غير GAAP يحقق الربحية. تم الإبلاغ عن 4.5 مليون دولار من النقد لاستخدامه في العمليات، ولا يزال التدفق النقدي التشغيلي منذ بداية العام إيجابيًا.
مع هذه الأرقام القوية، رفعت Stratasys توقعاتها للعام الكامل 2024. وفقًا لذلك؛ أبلغت عن إيرادات قدرها 580 مليون دولار من إيرادات 570 مليون دولار، وصافي دخل غير GAAP قدره 5 ملايين دولار، ونفقات رأس مال قدرها 20 مليون دولار.
“لقد بدأنا بنجاح في تحويل الشركة من خلال تحسين التكاليف والتركيز على فرص النمو الأعلى.”
– قال الرئيس التنفيذي د. يوآف زيف في ذلك الوقت
وأشار أيضًا إلى أن منصة الشركة الرئيسية F3300 تحظى بالكثير من الاهتمام بينما تستمر في التوسع إلى القطاعات المستهدفة الرئيسية، بما في ذلك الرعاية الصحية، والسيارات، والفضاء.
وفقًا للدكتور زيف، سيساعد خطة إعادة هيكلة الشركة في تحقيق توفير تكلفة سنوي قدره 40 مليون دولار بدءًا من العام المقبل.
“نحن في موقع جيد لتحقيق نمو إيرادات متزايد، وربحية وتدفق نقدي في عام 2025، لتلبية الطلب المتراكم بمجرد تحسن ظروف السوق.”
– د. زيف
انقر هنا لتعرف كل شيء عن الاستثمار في Stratasys Ltd. (SSYS )
الخاتمة
كانت الخرسانة حجر الزاوية في تطور البشرية لقرون، لكنها ليست خالية من مخاطرها. يصبح الأثر البيئي للخرسانة مصدر قلق كبير، مما يخلق حاجة ملحة لإيجاد حلول أفضل. التقنية الحديثة من باحثي NTU هي أحد التطورات التي تسير في الاتجاه الصحيح. من خلال الاستفادة من مبادئ التصنيع الإضافي، أعادت طباعة الخرسانة ثلاثيًا تعريف العمليات التقليدية وعززت الاستدامة.
مع صعوبة العالم في التعامل مع التوسع الحضري وتغير المناخ، يمكن للابتكارات مثل طباعة الخرسانة ثلاثيًا أن تساعد العالم على تلبية الاحتياجات المتزايدة والمعقدة للبناء مع التخفيف من آثاره الضارة. وعلى الرغم من بقاء التحديات في التوسع والتوحيد القياسي، فإن الوقت سيظهر أن التكنولوجيا تتحسن وتُعتمد على نطاق واسع، مما يجعل الطباعة ثلاثيًا تلعب دورًا رئيسيًا في تشكيل بنية البنية التحتية المستقبلية.
انقر هنا للحصول على قائمة بأهم أسهم التصنيع الإضافي والطباعة ثلاثية الأبعاد.
