الاستدامة
مواد بناء سلبية الكربون يمكن أن تحل محل الخرسانة
التكلفة البيئية للخرسانة التقليدية
عند فحص قطاع البناء اليوم، يتضح أن الخرسانة هي واحدة من أكثر المواد استخدامًا. يعتمد معظم البناء الجديد على الخرسانة بسبب تكلفتها المنخفضة وتوافرها ومرونتها.
إحصائيات سوق الخرسانة
يقدر قيمة سوق الخرسانة العالمي حاليًا بـ 402.87 مليار دولار، مع تجاوز سوق الأسمنت الأمريكي $15.22B في عام 2025 وحده. جاء هذا الطلب من عدة مصادر، بما في ذلك مشاريع البنية التحتية الحكومية مثل الطرق والطرق السريعة، التي شكلت 11٪ من الطلب.
كانت مراكز البيانات سببًا آخر لتوسع سوق الخرسانة مؤخرًا. وفقًا التقارير، استهلكت مراكز البيانات 247,000 طن من الخرسانة في عام 2025، ويتوقع المحللون نموًا أكبر في هذا القطاع في عام 2026.
البناء الحديث مهدّر
هناك عدة قضايا ظهرت بخصوص الطلب المتزايد على مواد البناء الخرسانية. أولاً، العملية صعبة جدًا على البيئة. وفقًا للتقارير، يشكل بناء الخرسانة 8٪ من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون العالمية. للأسف، طريقة التصنيع الحالية تستهلك طاقة عالية، حيث تُخبز الخرسانة عند درجات حرارة مرتفعة خلال عملية المعالجة التي تستغرق أسابيع.
تقنيات البناء المستدام
إدراكًا للحاجة إلى تحقيق التوازن وتحقيق الاستدامة، قضى المهندسون ساعات لا تحصى في محاولة اكتشاف طرق لإنشاء تقنيات بناء مستدامة. تغطي هذه الاستراتيجيات مجموعة واسعة من النهج، من الاستفادة من المواد الحيوية إلى التصاميم الثورية التي تتطلب مواد أقل لإكمالها.
المصدر – WPI
إحدى أكثر الطرق إثارة التي سعى المهندسون من خلالها لتقليل آثار تصنيع الخرسانة هي استخدام هياكل هيدروجيلية. هذا النوع من الخرسانة يمكنه الصمود أمام تآكل الماء وعدم تسربه إلى المياه بمستويات خطرة.
مشكلات تقنيات البناء المستدام اليوم
لقد تم إحراز تقدم على مدى العقد الماضي من البحث لتقليل الأثر البيئي لتصنيع الخرسانة. ومع ذلك، حتى الآن، معظم الأساليب تتطلب طرق تصنيع معقدة لا يمكن توسيعها، أو على الأقل تحتاج إلى طبقة طلاء أو حماية إضافية. أدى هذا النقص في النتائج إلى اعتقاد العديد من الباحثين أن إنشاء مواد بناء سلبية الكربون عبر طرق منخفضة الطاقة شبه مستحيل.
نتائج دراسة WPI: المواد الإنزيمية مقابل الخرسانة
Swipe to scroll →
| المعيار | الخرسانة التقليدية | ESM (مغذى الكربون) |
|---|---|---|
| انبعاثات CO₂ (كغ/م³) | ~330 كغ | ~6 كغ |
| قوة الضغط | 20–25 MPa | 25.8 MPa |
| وقت المعالجة | 28 أيام | ساعات |
| التقاط الكربون | لا شيء | سالب الكربون |
لحسن الحظ، لم يتلق باحثو WPI المذكرة. توضح دراسة “Durable, high-strength carbon-negative enzymatic structural materials via a capillary suspension technique ¹” المنشورة في مجلة Matter العلمية كيف تمكن الفريق من إنشاء مواد بناء مغذى الكربون باستخدام تشكيلات مركبة للتصنيع المعدني المحفّز بالإنزيم.
التصنيع المعدني المحفّز بالإنزيم
على وجه التحديد، أنشأ الفريق مزيج إنزيمي مخصص إلى جانب استراتيجية تعليق شعري مكنت منهم من التقاط معادن الكالسيوم الراسبة داخل مصفوفة كربونية. بمجرد أن تداخلت الجسيمات داخل المصفوفة، ارتبطت طبيعيًا معًا.
المادة الإنزيمية الهيكلية (ESM)
يلغي هذا النهج الحاجة إلى طرق معالجة صناعية مثل الخبز في الأفران تحت حرارة شديدة. كما يخلق مادة قابلة للتشكيل توفر قوة هيكلية مماثلة لبدائل الخرسانة. في صميم هذه التقنية يكمن استخدام استراتيجيات المعالجة الحرارية لإنشاء مركبات ثلاثية الجسيمات مرتبطة بـ CaCO3 مع مسامية وخصائص ميكانيكية قابلة للتعديل.
التقاط CO2
إلى جانب سهولة تصنيعه وأقل ضرره على البيئة، يتمتع ESM بميزة رئيسية أخرى وهي أنه يعمل كمغذى كربون. تمتص مغذيات الكربون CO2، وتزيله من الغلاف الجوي وتحتفظ به في التخزين.
المصدر – Cell
بشكل مثير للإعجاب، يحتوي ESM على إنزيمات تصلب CO2 وتحوله إلى مادة أكثر صلابة. تمنح هذه البنية الملتقطة للكربون ميزة كبيرة من حيث الأثر البيئي. تصميمه السالب للكربون وقدراته كمغذى تجعل هذه المادة تتماشى مباشرة مع إرشادات الأمم المتحدة البيئية لمستقبل مستدام.
اختبار مواد البناء ذات مغذى الكربون
اختبر نيمه رحبار وفريقه مادته الجديدة من حيث القوة والمتانة ومقاومة الماء وقدرات التقاط الكربون. كما اختبروا قوة المادة بعد تشكيلها بأشكال مختلفة واستخدام عمليات متنوعة، مما مكن الفريق من تحسين نهجه.
نتائج اختبار دراسة مواد البناء ذات مغذى الكربون
كانت نتائج الدراسة إيجابية. بشكل ملحوظ، تفوق ESM الخرسانة من حيث مقاومة الماء. بالإضافة إلى ذلك، أظهرت التقارير أن المادة استخدمت بنية هيدروشار دقيقة لتتفوق على الخرسانة التقليدية من حيث القوة الهيكلية.
على وجه التحديد، سجلت المادة متوسط قوة ضغط قدره 25.8 MPa. يضع هذا المستوى هذه المواد فوق القدرات الحالية للبدائل المستدامة الأخرى، بما في ذلك مواد البناء الحية (LBMs) والمواد الحية الهندسية (ELMs).
لاحظ المهندسون أيضًا أن طريقة الإنتاج أكثر صداقة للبيئة مقارنة بالخرسانة التقليدية. إنتاج متر مكعب واحد من ESM ينتج فقط 6 كغ من CO2 مقارنة بـ 330 كغ المطلوبة لإنتاج نفس الكمية من الخرسانة التقليدية.
مزايا المواد الإنزيمية الهيكلية (ESM)
هناك قائمة طويلة من الفوائد التي يجلبها ESM إلى السوق. أولاً، يوفر بديلاً مقارنًا للخرسانة التقليدية، التي، بسبب انتشار استخدامها، تمتلك بنية تحتية واسعة ومحترفين يمكنهم الآن استخدام ESM دون إجراء أي تعديلات كبيرة.
يوفر ESM مزيدًا من القوة بفضل عملية ربط الجسيمات والمعالجة المستخدمة في هذا التصميم. بالإضافة إلى ذلك، يتعالج أسرع بكثير من الخرسانة. تحتاج الخيارات التقليدية إلى ما لا يقل عن 28 يومًا لتتصلب بشكل صحيح. بالمقارنة، يتعالج ESM في بضع ساعات، مما يتيح بناءً سريعًا وإصلاحًا سريعًا.
فعّال من حيث التكلفة
هناك أيضًا أسباب مالية تجعل ESM يُنظر إليه كإنجاز رئيسي في القطاع. أولاً، يقلل من متطلبات العمالة أثناء طريقة التصنيع. بالإضافة إلى ذلك، تعني قابلية إصلاحه انخفاض رسوم الصيانة. كما أن قابلية تشكيله الشديدة تقلل من نفايات البناء، مما يقلل من تكاليف الإنشاء بينما يطيل عمر المشاريع.
قابلية التوسع
ميزة أخرى كبرى لـ ESM هي أنه يمكن توسيعه وإنتاجه على مستويات صناعية. يقدم قوة وتشكيلًا مماثلين، ويقلل من النفايات. كل هذه العوامل تعني مزيدًا من المال لمصنعي الخرسانة ومزيدًا من الجودة لأولئك الذين يستخدمون المواد.
صديق للبيئة
عند النظر إلى الصورة الكبيرة، يوفر ESM بديلاً قابلًا للتطبيق للخرسانة التقليدية. بديلاً صديقًا للبيئة. يمكن لتصميمه كمغذى كربون أن يساعد في مكافحة تغير المناخ وتقليل تأثير المدن والطرق والمزيد.
كما صُممت المادة من اليوم الأول لتكون قابلة لإعادة التدوير. الهدف هو إنشاء عملية تصنيع دائرية. إذا نجحت، قد يكون ESM محوريًا في المساعدة على استدامة الإسكان الميسور التكلفة والبنية التحتية ومشاريع الصيانة في المستقبل.
الجدول الزمني التجاري للخرسانة سلبية الكربون
هناك العديد من التطبيقات لـ ESM في المستقبل. على سبيل المثال، قد ترى استخدامه في مشاريع البنية التحتية المستقبلية ومشاريع البناء الضخمة. سيساعد دمج المواد التي تلتقط الكربون في خفض تأثير التوسع البشري المتسارع وتناقص الغابات.
من الجدير بالذكر أن الطرق هي واحدة من الأسباب الرئيسية لانبعاثات CO2. من طرق تصنيع الأسفلت والخرسانة إلى طريقة وضعها، وحتى السيارات التي تسير عليها، كل خطوة تنتج المزيد من CO2. سيؤدي استخدام ESM إلى إنشاء طرق تساعد على حجز CO2 من المركبات، مما يقلل الانبعاثات.
جدول التوقيت التجاري وتوقعات الاعتماد
قد ترى ESM قيد الاستخدام خلال السنوات الخمس القادمة. لا يزال هناك المزيد من الاختبارات التي يجب إجراؤها قبل أن تُقبل هذه المادة في مشاريع البنية التحتية الكبرى. ومع ذلك، يتماشى ذلك مع ميثاق الأمم المتحدة للحد من الصفر الصافي للكربون ويوفر تصنيعًا أكثر تكلفة مع تأثير بيئي أقل. وبالتالي، من المرجح أن تشهد هذه التقنية طلبًا هائلًا.
باحثو مواد البناء ذات مغذى الكربون
<pقادت دراسة مواد البناء ذات مغذى الكربون العلماء في معهد وورستر للتقنية (WPI). على وجه التحديد، يُدرج البروفيسور رالف إتش. وايت فاميلي ورئيس قسم الهندسة المدنية والبيئية والمعمارية، نيمه رحبار، كقائد لهذا البحث. كما تُدرج الشوائي وانغ، بارديس بورهاجي، دولتون فاسالو، سارة هيدارنيزاد، وسوزان سكارلاتا كأعضاء مساهمين.
مستقبل مواد البناء ذات مغذى الكربون
سيسعى الفريق الآن لتأمين شركاء صناعيين موثوقين للمساعدة في توسيع عملية تصنيع ESM. سيتطلب ذلك منهم فحصًا أعمق لكيفية تحسين الخصائص الميكانيكية للـ ESM، والمتانة، والكفاءة.
التعرض العام للسوق للبناء المستدام
هناك مجموعة متنوعة من الشركات التي أنفقت ملايين الدولارات على البحث في سعيها للعثور على بدائل أفضل لتقنيات البناء المهدرة اليوم. تدرك هذه الشركات أن الاستدامة هي المفتاح لضمان الازدهار في المستقبل. إليكم شركة واحدة تدفع الابتكار باستمرار مع الحفاظ على سمعة طيبة في القطاع.
CRH (CRH)
في حين أن الحلول المختبرية مثل ESM لا تزال في مهدها، فإن عملاق الصناعة CRH هو الكيان الأكثر احتمالًا لتوسيع نطاقها. كأكبر شركة مواد بناء في أمريكا الشمالية، تحركت CRH بقوة بعيدًا عن الخرسانة التقليدية من خلال صندوقها للاستثمار والابتكار بقيمة 250 مليون دولار.
من الجدير بالذكر أن CRH شراكتها مع Carbon Upcycling Technologies (CUT) لنشر التقاط الكربون على نطاق تجاري. في يوليو 2025، افتتحت شركة CRH الفرعية Ash Grove مرفقًا من نوعه الأول في ميسيساغا، أونتاريو، صُمم لالتقاط CO2 مباشرة من أفران الأسمنت وتعدينه إلى مواد بناء. يتماشى ذلك مباشرة مع مبادئ مغذى الكربون التي أظهرتها دراسة WPI.
من خلال الاستثمار في الشركات الناشئة عبر مسرّع “مواد البناء المستدامة”، يعمل CRH كجسر بين الابتكارات الأكاديمية والواقع الصناعي، مما يجعله “لعبة اختيار ومعول” لإزالة الكربون من البنية التحتية.
(CRH )
آخر أخبار وأداء CRH (CRH)
مواد البناء ذات مغذى الكربون | الخلاصة
بشكل ملحوظ، قد يؤدي العمل الجاد والتفاني للفريق إلى تحول كبير في السوق. إذا تحول حتى 1٪ من البناء العالمي إلى مواد سلبية الكربون مثل ESM، فقد يدفع ذلك السوق إلى المستوى التالي مع تقليل انبعاثات CO2 في المستقبل.
عند النظر إلى الاستدامة المضافة، وتكاليف أقل، والمرونة، من السهل تصور مستقبل يفضّل فيه المصنعون العمل مع ESM بدلاً من الخرسانة التقليدية. كل هذه العوامل، إلى جانب المعالجة الأسرع والأرخص، والقوة القابلة للتعديل، وإمكانية إعادة التدوير، قد تساعد في دفع الاعتماد في المستقبل.
تعرف على مشاريع الاستدامة المبتكرة الأخرى هنا.
المراجع
1. Wang, S., Pourhaji, P., Vassallo, D., Heidarnezhad, S., Scarlata, S., & Rahbar, N. (2025). Durable, high-strength carbon-negative enzymatic structural materials via a capillary suspension technique. Matter, 102564. https://doi.org/10.1016/j.matt.2025.102564
