Kan 3D-printet beton redde miljøet?

Beton er overalt omkring os. Fra huse, kontorer og skolebygninger til butikker, dæmninger, broer, fortove og veje, hjælper beton med at bygge strukturer, som vi bruger hver dag.

Det er ikke et nyt materiale på nogen måde. Faktisk daterer de tidligste optegnelser af betonstrukturer tilbage til 6500 f.Kr. i regioner af Syrien og Jordan. Så, naturligvis, har vi romerne, der gjorde omfattende brug af beton i deres konstruktion. Og nu, efter århundreder, står mange af disse strukturer stadig tallende i dag.

Gennem årene er brugen af beton kun vokset, med det globale betonmarked på $687.2 milliarder i 2021. Det forventes at vokse til $821,6 milliarder i 2026, hvilket demonstrerer betonens rolle i vores liv.

Denne udvidelse er drevet af væksten i bygge- og anlægsindustrien samt den øgede investering i nye byggeprojekter over hele verden. Økonomisk vækst og hurtig urbanisering bidrager også til den stigende efterspørgsel på boliger og erhvervsbygninger over hele verden. Da byerne vokser, stiger også behovet for infrastruktur og, med det, behovet for beton.

Selvom vi ved, at der er en fortsat efterspørgsel på cement, og det har været sådan i årevis, hvorfor er det så populært fra starten? Og er det alt sammen godt? Nu, lad os finde ud af det!

Beton: Den farlige nødvendighed i verden

Før vi forstår, hvad der gør beton så værdifuldt, lad os se, hvad det egentlig er. Det er en blanding af cement (eller lime), vand og aggregater, som er en samling af naturlige eller kunstige partikler som sand, grus eller knust sten.

Her er cement, som er en fremstillet blanding af calcium, jern, silicium og aluminium, blandt andre ingredienser, det bindende materiale, der giver beton hårdnings egenskaber, mens vand aktiverer cementet for at danne et tæt materiale.

Det, der gør dette kompositmateriale så værdifuldt, er dets egenskaber, herunder formbarhed – evnen af friskblandet beton til at blive formet i næsten enhver form – og holdbarhed – hvilket betyder, at det kan holde i mange år. Dette billige materiale kan yderligere tilpasses for at møde forskellige byggebehov.

Andre attraktive egenskaber ved beton omfatter dets lette brug, styrke og evne til at modstå ikke kun tungt last og kompressivt tryk, men også hårdt vejr og naturkatastrofer som jordskælv og orkaner.

Så er der betonens evne til at fastholde varme, brandbeskytte og lette at reparere, hvis der opstår skader. Alle disse egenskaber gør cement til et meget værdifuldt produkt, hvilket fører til en stigning i forbruget.

Når det kommer til betonanvendelser, har det forskellige anvendelser i byggeindustrien. Beton er faktisk det mest brugte byggemateriale i verden efter vand. Det bruges til at bygge dæmninger, broer, motorveje, lufthavne, veje, kanaler, reservoirer og belægning samt boliger, erhvervsbygninger og andre bærende strukturer.

For at sige det enkelt, er beton et grundlæggende materiale i byggeindustrien, der spiller en afgørende rolle i at forme infrastrukturen omkring os.

Men det betyder ikke, at beton kun har fordele at tilbyde. Faktisk er det ekstremt farligt.

For det første er cement ansvarlig for 1,6 milliarder metriske tons af kuldioxid (CO2), hvilket svarer til omkring 8% af de globale CO2-udledninger. Og den omfattende afhængighed af byggeindustrien af cement forværreler dets enorme kulstofaftryk.

Imens er produktionen af almindelig Portland-cement (OPC) ansvarlig for 5% til 8% af de globale antropogene CO2-udledninger. Når dette ekstrapoleres for alle bygge-relaterede aktiviteter, viser den seneste forskning en alarmerende billed, med næsten 40% af energirelaterede CO2-udledninger kommer fra denne sektor, der forbruger 36% af verdens endelige energi.

Dette er ekstremt bekymrende, fordi CO2-udledninger forventes at nå en rekordhøj på 37,41 GtCO2. CO2-udledninger er også den primære årsag til global opvarmning, og ifølge IPCC forventes global opvarmning i dens nuværende takt at nå 1,5 °C over forindustrielle niveauer mellem 2030 og 2052.

Givet betonens miljømæssige konsekvenser, mens dens årlige forbrugsrate beløber sig til 30 milliarder tons og forventes at stige uafbrudt, er det vigtigt, at alle, fra innovatører til organisationer og regeringer, tager fat i dette problem.

Fremme af byggeindustrien med 3D-printing

Beton, som vi nævnte ovenfor, er en nødvendig ond, fordi selvom det har nogle gode fordele og er afgørende for civilisationen, er det virkelig skadeligt for planeten, der allerede kæmper med skovrydning, klimaforandring, biodiversitetstab og meget mere.

Tilføj beton til blandingen, og tingene vil blive værre. Men hvad hvis der er en måde at tackle de skadelige virkninger af dette populære byggemateriale?

Nu, for det første, udvikler beton sig for at møde de komplekse og avancerede behov i verden. Som vi tidligere delte, bliver avancerede materialer som grafen og hamp i stigende grad anvendt i byggematerialer. Selv kulstof-fri cement produceres ved at erstatte kalksten eller bruge fossilbaseret kalksten.

Der er en anden løsning, og det er 3D-printing. Det er rigtigt! Den samme metode, der bruges til at skabe kunst, møbler og andre forbrugsvarer samt retsmedicin, proteser og kirurgi, ændrer også spillet for byggeindustrien.

3D-printing eller additiv tilvirkning, der involverer at lave tredimensionale objekter fra en digital fil ved at lægge lag af materiale, har fået meget opmærksomhed takket være dens fordele i form af hurtig prototypering, tilpasning, omkostningsbesparelse, reducering af materialeaffald, fremme af innovation og bæredygtighed.

Denne teknologi bruges nu i byggeindustrien, hvilket ikke er noget nyt i sig selv, da 3D-printing først blev brugt i byggeindustrien for mange årtier siden. Men brugen af 3D-printing er vokset betydeligt i de seneste år for at accelerere processen betydeligt, optimere materialebrug, udforske intrikate designs og tilpassede strukturer, facilitere fjernbygning og forbedre sikkerheden.

De multifacetterede fordele ved 3D-printing omfatter desuden kortere forsyningskæder på grund af bygning på stedet og en betydelig reduktion i arbejdspladserisici på grund af reduceret behov for manuelt arbejde i højrisikable operationer.

I år så vi faktisk verdens største 3D-printede kvarter i Texas nær ved at være færdigt efter at have været to år i bygning. 3D-printet byggefirma ICON står bag dette projekt.

Et privat firma, ICON printer ikke kun boliger, men er også involveret i forsvar og bygning uden for denne verden. Mindre end et årti siden højdede ICON en total på $451 million, hvilket har øget dens værdi til omkring $2 milliarder. Firmaet er faktisk kontraktet af NASA til at bygge landingsramper, beskyttelsesrum og andre strukturer på Månen som en del af agenturens Artemis Måne-udforskningprogram.

I 2018 byggede de det første tilladte 350 kvadratmeter store 3D-printede hus i USA, som kun tog to dage. Huset blev bygget med beton, fordi, som ICO-direktør Jason Ballard udtalte:

“Det er et af de mest holdbare materialer på Jorden.”

Til deres Texas-samfund bruger firmaet deres Vulcan-printer, som er ligesom en almindelig skrivebords-3D-printer, og rører lag for lag. Forskellen på denne Vulcan-printer er, at den er 45 fod bred og vejer 4,75 tons.

Vedrørende processen bliver betonpulver blandet med sand, vand og andre tilsætningsstoffer og derefter pumpet ind i printeren. Betonblandingen bliver så presset ud af en dyse på en børste, som bygger lag for lag efter en forudprogrammeret vej.

Den robotiske printer har bygget 100 3D-printede huse i, hvad det siger er verdens største 3D-printede samfund. Med 3D-printing, der er hurtigere, billigere, minimizerer bygge-materialeaffald og kræver færre arbejdere, bringer det “meget effektivitet til branchen”, ifølge firmaet.

Dette er kun begyndelsen, da det er tydeligt fra væksten, som 3D-printing-bygge-markedet forventes at se. Vurderet til $5,5 milliarder sidste år, forventes det globale 3D-printing-bygge-marked at vokse med en årlig vækstrate på 105,8% for at nå en kolossal $3,3 billion i 2032.

Disse tal kan synes overvældende at starte med, men som vi delte i vores forrige artikel, kan 3D-printing opstå som en potentiel løsning på det alvorlige problem med boligmangel, hvilket gør det trillion-dollar-mål til en reel mulighed.

Givet den enorme interesse for 3D-printing-bygning, er det også nødvendigt at udnytte denne teknologi til at ændre bygge-markedet til det bedre. Og det er præcis, hvad forskere fra Nanyang Teknologiske Universitet (NTU) i Singapore gør.

Forskerne gik endnu et skridt længere eller dybere ved at 3D-printe beton selv. Til dette har de udviklet en 3D-beton-printmetode, der fanger carbon, og viser en ny måde at reducere byggeindustriens miljøpåvirkning på.

3D-printing af beton, der fanger CO2

For nylig offentliggjorde NTU-forskerne deres forskning om “Carbon capture and sequestration with in-situ CO2 and steam-integrated 3D concrete printing.”

Forskningen detaljerer den innovative metode, der sigter mod at reducere cementets kulstofaftryk betydeligt ved at reducere materialeanvendelsen, arbejdskravene og byggetiden.

Det forslås også, at bæredygtig udvikling gennem 3D-beton-printning kan føje op til 5% reducering i global energiforbrug. Disse miljømæssige fordele er potentielt lig med dens evne til at strømline byggeprocesser.

Men at blande CO2 i beton, som den seneste studie gør, er blevet gjort før med det formål at forbedre materialets kvalitet og hjælpe med at reducere cementets negative miljøpåvirkning.

Tidlige studier har allerede vist forbedringer i de mekaniske egenskaber af beton gennem direkte batch-blanding med CO2 og udsætning af beton for CO2 under produktion i karbonatiseringskamre på grund af dannelse af en “karbonatiserings skal”.

Tidligere studier har rapporteret en næsten 15-gange øgning i penetration modsætnings-evne og op til 1,16% kulstofoptag i blot en halv time efter blanding af mur med CO2. Justering af den accelererede karbonatiseringshærdning (ACC) viste en 1,98-25,5% kulstofoptag.

Selvom forskning i 3D-beton-printning i høj grad har fokuseret på at designe grønne cementblandinger for at reducere dets kulstofaftryk, påpegede den seneste studie, at kun få havde overvejet at fremme proces-teknologier, især for at forbedre dets bulk-kulstoffangst- og lagringskapacitet (CCS).

Studier om karbonatisering af cementbaserede materialer, især den minimale fokus på dybder, påpegede forskerne, er hvorfor deres skalerede implementering vækker gyldighedsbekymringer. Ikke at nævne, at løsninger til karbonatiseringskamre står over for begrænsninger i forhold til hardware og energiforbrug, når de anvendes med 3DCP. Som følge heraf er fordelene ved skalerbar, automatiseret og på stedet-bygning kompromitteret.

Dette skaber et behov for at udvikle en kunstig karbonatiseringsproces til 3D-beton-printning, der går ud over traditionelle hårdningsteknikker.

Som følge heraf udviklede NTU-forskerne en ny proces for at studere dets effektivitet til at fange kulstofdioxid.

Den nyligt udviklede teknologi omfatter et to-trins extrusionsbaseret system. Første trin er at indsprøjte CO2 og damp i det blandede beton. Blandingen inkorporerer derefter direkte og lagrer CO2 i betonstrukturen. CO2 og damp i spørgsmålet er fanget som biprodukter af industrielle processer.

Denne nye tilgang demonstrerede en øgning på 38,2% i bulk-kulstofoptag, og tilbyder endnu en måde at opnå dekarboniseret bygning ved 3D-printning af beton.

Designet af den proprietære print-hovedtilbehør, der faciliterer den regulerede indsprøjtning af gassende og flydende tilsætningsstoffer, søger at tackle det kritiske spørgsmål om miljømæssige bæredygtighedsbekymringer med automatiseret bygning. Det adresserer også spørgsmålet omkring krav til sætning på krav, men mest væsentligt, en mangel på tilgængelige CCS-løsninger, der er kompatible med 3D-beton-printning.

Ikke blot reducerer den nye måde cementets kulstofaftryk, men det er også blevet demonstreret, at det forbedrer de mekaniske egenskaber af betonet. Dette tilbyder stor styrke til strukturen i forhold til traditionelt 3D-printet beton.

Ifølge forskningsartiklen resulterede CO2- og damp-integrationen i en øgning på op til 50% i 3D-printbarhed, 45,3% i bøjningsstyrke og 36,8% i kompressiv styrke.

Forskerne konkluderede, at prøverne, der var udsat for CO2-damp-integreret printing og åben luft-hærdning, fik den højeste kulstofoptag. Ifølge forskerne:

“Den præsenterede løsning tilbyder en lovende vej mod dekarboniseret bygning, samtidig med at den udvider de mulige løsninger for CCS ud over traditionelle begrænsede hårdningsteknikker.”

Holdet påpegede yderligere, at optimering af print-konfigurationer, blanding-design og indsprøjtning af røggasser for at reducere ren CO2-feedstock-spild som mulige områder for fremtidig forskning.

Investeringsværdigt selskab i 3D-printing-området

Nu, lad os se på et børsnoteret selskab, der er involveret i 3D-printing-markedet, der estimeres til at være værd $17,5 milliarder i 2024 og forventes at vokse med en årlig vækstrate på 16,4% til $37,4 milliarder i de næste fem år, hvilket er med til at fremme udviklingen i sektoren og hjælpe med at ændre verden til det bedre.

1. Stratasys Ltd. (SSYS )

Stratasys er et velkendt navn i 3D-printing-verdenen og tilbyder løsninger på tværs af multiple sektorer. Teknologier fra selskabet har bidraget til fremgang i 3D-printingfeltet.

Med en markedsværdi på $689,5 millioner og en markedsværdi, der i øjeblikket handler til $9,66, ned 32,35% i år, har selskabet en EPS (TTM) på -1,32 og en P/E (TTM) på -7,30.

For Q3 i 2024 rapporterede Stratasys en omsætning på $140,0 millioner, op fra $162,1 millioner registreret i samme kvartal sidste år. Med disse tal har selskabets gentagne forbrugs-omsætning set år-til-år-vækst i otte kvartaler i træk nu, hvilket selskabet angav “reflekterer fortsat stærk printer-udnyttelse”.

Væksten i Stratasys’ GAAP-bruttomargin forbedredes til 44,8%, mens deres GAAP-nettab kom ind på $26,6 millioner, og non-GAAP-nettoindtjening begyndte at opnå rentabilitet. $4,5 millioner i kontanter blev rapporteret at være brugt i drift, og årets driftsafkast er stadig positivt.

Med disse stærke tal hævede Stratasys deres udlook for det fulde år 2024. Ifølge dette rapporterede de en omsætning på $580 millioner af $570 millioner, non-GAAP-nettoindtjening på $5 millioner og kapitaludgifter på $20 millioner.

“Vi har succesfuldt begyndt at transformere selskabet gennem omkostningsoptimering og fokus på højvækstmuligheder.”

– CEO Dr. Yoav Zeif sagde på det tidspunkt

Han påpegede yderligere, at selskabets hoved-F3300-platform får meget opmærksomhed, mens de fortsætter med at udvide sig ind i deres hovedmål-sektorer, herunder sundhedssektoren, bilindustrien og luftfart.

Ifølge Dr. Zeif vil selskabets omstruktureringsplan hjælpe med at levere $40 millioner i årlige omkostningsbesparelser fra næste år.

“Vi er godt positioneret til at levere øget omsætningsvækst, rentabilitet og kontantflow i 2025, for at imødekomme den opsparede efterspørgsel, når markedsvilkårene forbedres.”

– Dr. Zeif

Klik her for at lære alt om at investere i Stratasys Ltd.

Konklusion

Beton har været en hjørnesten i menneskelig udvikling i århundreder, men det er ikke uden sine farer. Betonens miljømæssige påvirkning bliver en alvorlig bekymring, og der opstår et presserende behov for at finde bedre løsninger. Den seneste teknologi fra NTU-forskerne er en sådan udvikling, der går i den rigtige retning. Ved at udnytte additive tilvirkningsprincipper har 3D-beton-printning gendefineret traditionelle operationer og fremmet bæredygtighed.

Da verden kæmper med urban udvidelse og klimaforandring, kan innovationer som 3D-beton-printning hjælpe verden med at møde de voksende og komplekse behov for bygning, samtidig med at det reducerer dets skadelige virkninger. Og selvom udfordringer består i skala og standardisering, vil teknologien over tid, når den forbedres og bliver mere udbredt, kunne spille en nøglerolle i at forme morgendagens infrastruktur.

Klik her for en liste over de bedste additive tilvirknings- og 3D-printing-aktier.