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 på ingen måde et nyt materiale. Faktisk går de tidligste registreringer af betonstrukturer tilbage til 6500 f.Kr. i områder af Syrien og Jordan. Så har vi naturligvis romerne, som brugte beton i stor udstrækning i deres byggeri. Og nu, årtusinder senere, står mange af disse strukturer stadig stolte i dag.

Gennem årene er brugen af beton kun vokset, med det globale betonsmarked på $687.2 billion i 2021. Det forventes yderligere at vokse til $821.6 billion i 2026, hvilket demonstrerer den rolle, beton spiller i vores liv. 

Denne udvidelse drives af væksten i byggebranchen samt den stigende investering i nye byggeprojekter rundt om i verden. Økonomisk vækst og hurtig urbanisering bidrager også til den stigende efterspørgsel efter bolig- og erhvervskomplekser på tværs af kloden. Efterhånden som byerne vokser, vokser også behovet for infrastruktur og dermed behovet for beton.

Selvom vi ved, at efterspørgslen efter cement fortsætter, og den har gjort det i årtusinder, hvorfor er den så populær i første omgang? Og er den helt god? Lad os finde ud af det!

Beton: Verdens farlige nødvendighed

Før vi forstår, hvad der gør beton så værdifuld, lad os se, hvad det præcis er. Det er en blanding af cement (eller kalk), vand og aggregater, som er et sæt 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, bindemidlet der giver betonen hærdningsegenskaber, mens vand aktiverer cementen for at danne et tæt materiale. 

Det, der gør dette sammensatte materiale så værdifuldt, er dets egenskaber, herunder formbarhed – evnen til at forme friskblandet beton til næsten enhver form – og holdbarhed – hvilket betyder, at den kan holde i mange år. Dette prisvenlige materiale kan yderligere tilpasses for at opfylde forskellige byggebehov.

Andre attraktive egenskaber ved beton inkluderer dens brugervenlighed, styrke og evne til at modstå ikke kun tunge belastninger og trykspændinger, men også barske vejrforhold og naturkatastrofer som jordskælv og orkaner.

Derudover har beton evnen til at holde på varme, er brandfast og let at reparere, hvis der opstår skader. Alle disse egenskaber gør cement til et yderst værdifuldt produkt, hvilket får brugen til at skyde i vejret.

Når det gælder betons anvendelsesområder, har den mange anvendelser i byggebranchen. Beton er faktisk det mest anvendte byggemateriale i verden efter vand. Den bruges til at bygge dæmninger, broer, motorveje, lufthavne, veje, kanaler, reservoirer og belægning, sammen med boliger, erhvervskomplekser og andre bærende strukturer.

Kort sagt er beton et grundlæggende materiale i byggeri, som spiller en afgørende rolle i at forme infrastrukturen omkring os. 

Men det betyder ikke, at beton kun har fordele. Faktisk er den ekstremt farlig. 

For det første er cement ansvarlig for 1.6 billion metric tonnes af kuldioxid (CO2), hvilket udgør omkring 8 % af de globale CO2-udledninger. Og den omfattende afhængighed af byggebranchen af cement forværrer dens enorme CO2-aftryk.

Samtidig er produktionen af almindelig Portlandcement (OPC) ansvarlig for 5 % til 8 % af de globale antropogene CO2-udledninger. Når man udvider dette til al byggeaktivitet, viser den seneste research et alarmerende billede, med næsten 40 % af energirelaterede CO2-udledninger fra denne sektor, som forbruger 36 % af verdens endelige energi.

Dette er yderst bekymrende, fordi CO2-udledninger forventes at nå en rekordhøj på 37.41 GtCO2. CO2-udledninger er også den primære årsag til den globale opvarmning, og ifølge IPCC forventes den globale opvarmning på nuværende hastighed at nå 1.5 °C over præindustrielle niveauer mellem 2030 og 2052.

I betragtning af de miljømæssige konsekvenser af beton, mens dens årlige forbrug når 30 milliarder ton og forventes at stige vedvarende, er det vigtigt, at alle – fra innovatører til organisationer og regeringer – adresserer dette problem direkte.

Fremskridt i byggeri med 3D‑print 

Beton, som vi nævnte ovenfor, er et nødvendigt onde, fordi selvom den har nogle store fordele og er afgørende for civilisationen, er den virkelig skadelig for planeten, som allerede kæmper med skovrydning, klimaændringer, tab af biodiversitet og meget mere. 

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

Nå, for det første udvikler betonen sig for at imødekomme verdens komplekse og avancerede behov. Som vi tidligere har delt, bliver avancerede materialer som grafen og hamp i stigende grad anvendt i byggematerialer. Selv kulstoffri cement produceres ved at erstatte kalksten eller ved at bruge fossilt brændstofbaseret kalksten.

Der er en anden løsning, og det er 3D‑print. Det er rigtigt! Den samme metode, der bruges til at skabe kunst, møbler og andre forbrugerprodukter, samt inden for retsmedicin, proteser og kirurgi, ændrer også spillet for byggeri. 

3D‑print eller additiv fremstilling, som indebærer at lave tredimensionale objekter fra en digital fil ved at lægge lag af materiale, har fået stor opmærksomhed takket være fordelene ved hurtig prototyping, tilpasning, omkostningsbesparelser, reduktion af materialespild, fremme af innovation og bæredygtighed. 

Denne teknologi anvendes nu being utilized i byggeri, hvilket i sig selv ikke er noget nyt, da 3D‑print første gang blev brugt i byggeri for mange årtier siden. Dog har brugen af 3D‑print vokset betydeligt i de senere år for at accelerere processen markant, optimere materialeforbruget, udforske indviklede designs og skræddersyede strukturer, muliggøre fjernbyggeri og forbedre sikkerheden.

De mange facetterede fordele ved 3D‑print inkluderer kortere forsyningskæder på grund af byggeri på stedet og en betydelig reduktion af arbejdspladssikkerhedsrisici på grund af mindre behov for manuelt arbejde i højrisikoområder.

I år så vi faktisk verdens største 3D‑printede nabolag i Texas near its completion efter to år i konstruktion. 3D‑print byggevirksomheden ICON er bag dette projekt.

Et privat firma, ICON, printer ikke kun boliger, men er også involveret i forsvar og byggeri uden for Jorden. For mindre end et årti siden rejsede ICON i alt $451 million, hvilket har øget deres værdiansættelse til omkring $2 billion. Virksomheden er faktisk kontraheret af NASA til at bygge landingspladser, shelters og andre structures on the Moon as part of the agency’s Artemis Moon exploration program.

I 2018 byggede den det første tilladte 350 kvadratfod 3D‑printede hus i USA, som kun tog to dage. Huset blev bygget med beton, fordi ICO‑CEO Jason Ballard udtalte:

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

For sit Texas‑samfund bruger virksomheden sin Vulcan‑printer, som ligner en almindelig desktop‑3D‑printer, og lægger lag for lag. Forskellen med denne Vulcan‑printer er, at den er 45 fod bred og vejer 4,75 ton. 

Hvad angår processen, blandes betonpulver med sand, vand og andre tilsætningsstoffer og pumpes derefter ind i printeren. Betonblandingen squeezes derefter ud af en dyse på en børste, som bygger lag for lag efter en forprogrammeret sti.

Den robotiske printer har bygget 100 3D‑printede huse i det, de siger er verdens største 3D‑printede samfund. Med 3D‑print, der er hurtigere, billigere, minimerer spild af byggematerialer og kræver færre arbejdere, bringer den “meget effektivitet til byggebranchen”, ifølge virksomheden.

Dette er kun begyndelsen, som det tydeligt fremgår af væksten i 3D‑print‑konstruktionsmarkedet, som forventes at se. Værdet til $5.5 billion last year, forventes det globale 3D‑print‑konstruktionsmarked at vokse med en CAGR på 105.8 % og nå de svimlende $3.3 trillion by 2032. 

Disse tal kan virke svimlende ved første øjekast, men som vi delte i vores tidligere artikel, kan 3D‑print fremstå som en potentiel løsning på den alvorlige boligmangel, hvilket gør trillion‑målet til en reel mulighed.

Givet den enorme interesse for 3D‑print‑konstruktion giver det også mening at udnytte denne teknologi til at ændre byggemarkedet til det bedre. Og det er præcis, hvad forskere fra Nanyang Technological University (NTU) i Singapore gør.

Forskerne gik et skridt videre ved at 3D‑printe selve betonen. Til dette har de udviklet en 3D‑beton‑printmetode, der indfanger kulstof, og viser en ny måde at reducere byggebranchens miljøpåvirkning på.

Klik her for at lære, om 3D‑print kan hjælpe os med at tackle boligmanglen.

3D‑print af beton, der indfanger CO2

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

Forskningen beskrev den innovative metode, der sigter mod at reducere cementens CO2-aftryk betydeligt ved at skære ned på materialeforbruget, arbejdsstyrken og byggetiden. 

Det foreslås også, at bæredygtig udvikling gennem 3D‑beton‑print kan bidrage med op til 5 % reduktion i det globale energiforbrug. Disse miljøfordele er potentielt lige så store som dens evne til at strømline byggeprocesserne. 

Dog er blanding af CO2 i beton, som den seneste undersøgelse gør, allerede blevet gjort før med det formål at forbedre materialets kvalitet og hjælpe med at reducere cementens negative miljøpåvirkning.

Tidlige studier har allerede vist forbedringer i betons mekaniske egenskaber gennem direkte batch‑blanding med CO2 og ved at udsætte beton for CO2 under produktion i karboniseringskamre, hvilket danner en “karbonatiseringsskal”. 

Tidligere studier har rapporteret en næsten 15‑gange stigning i penetrationsmodstand og op til 1,16 % kulstofoptagelse på blot en halv time ved blandning af mørtel med CO2. Justering af den accelererede karbonatiseringshærde (ACC) viste yderligere en kulstofoptagelse på 1,98–25.5 %.

Mens forskningen i 3D‑beton‑print primært har fokuseret på at designe grønne cementblandinger for at reducere dens CO2-aftryk, bemærkede den seneste undersøgelse, at få har overvejet at videreudvikle forarbejdningsteknologier, især for at forbedre dens samlede kulstofopsamlings‑ og lagringskapacitet (CCS). 

Studier af karbonatisering af cementholdige materialer, især den minimale fokus på dybder, bemærkede forskerne, er grunden til, at deres skalerede implementering rejser gyldighedsproblemer. Ikke at forglemme, at CCS‑løsninger i kammer begrænset af hardware og energiforbrug, når de anvendes med 3DCP. Som følge heraf kompromitteres fordelene ved skalerbar, automatiseret og on‑site konstruktion are compromised.

Dette skaber et behov for at udvikle en kunstig karbonatiseringsproces for 3D‑beton‑print, der går ud over traditionelle hærdningsteknikker.

Som et resultat udviklede NTU‑forskerne en ny proces for at undersøge dens effektivitet i at lagre kuldioxid.

Den nyudviklede teknologi involverer et to‑trins ekstruderingssystem. Første trin er injektion af CO2 og damp i den blandende beton. Blandingen inkorporerer derefter direkte og lagrer CO2 i betonstrukturen. CO2‑ og damp‑komponenterne er fanget som biprodukter fra industrielle processer. 

Denne nye tilgang demonstrerede en stigning på 38,2 % i samlet kulstofoptagelse, hvilket tilbyder endnu en måde at opnå decarboniseret byggeri ved 3D‑print af beton.

Designet af den proprietære printhead‑tilbehør, som muliggør reguleret injektion af gas‑ og væsketilsætningsstoffer, søger at tackle de kritiske miljømæssige bæredygtighedsproblemer med automatiseret byggeri. Det adresserer også krav om on‑demand hærdning, men vigtigst af alt, manglen på let tilgængelige CCS‑løsninger, der er kompatible med 3D‑beton‑print.

Den nye metode reducerer ikke kun cementens CO2-aftryk, men har også vist sig at forbedre betons mekaniske egenskaber. Dette giver strukturen stor styrke i sammenligning med traditionel 3D‑printet beton.

Ifølge forskningspapiret resulterede integrationen af CO2 og damp i en stigning på op til 50 % i 3D‑printbarhed, 45,3 % i bøjningstyrke og 36,8 % i trykstyrke. 

Forskerne konkluderede, at de prøver, der were exposed to CO2-steam integrated printing and open-air curing got the highest carbon uptake. According to the researchers:

“Den præsenterede løsning tilbyder en lovende vej mod decarboniseret byggeri, samtidig med at den udvider levedygtige muligheder for CCS ud over traditionelle begrænsede hærdningsmetoder.”

Teamet påpegede yderligere, at optimering af printkonfigurationer, blandingsdesign og injektion af røggasser for at reducere spild af ren CO2‑feedstock er mulige områder for fremtidig forskning.

Investeringsværdigt selskab i 3D‑print‑sektoren

Lad os nu se på et børsnoteret selskab, der er involveret i 3D‑print‑markedet, som anslås at være $17.5 billion in 2024 and is projected to grow at a CAGR of 16.4% to $37.4 billion in the next five years, that’s making advances in the sector and helping change the world for the better.

1. Stratasys Ltd.

Stratasys er et populært navn i 3D‑print‑sektoren, og de leverer løsninger på tværs af flere sektorer. Teknologier fra virksomheden har bidraget til fremskridt inden for 3D‑print‑feltet. 

Med en markedsværdi på $689.5 million market cap, Stratasys has its shares currently trading at $9.66, down 32.35% this year. The company has an EPS (TTM) of -1.32 and a P/E (TTM) of -7.30.

For Q3 of 2024, Stratasys reported revenue of $140.0 million, up from $162.1 million recorded in the same quarter last year. With these numbers, the company’s recurring consumables revenue has been seeing year-over-year growth for eight straight quarters now, which it stated “reflects continued strong printer utilization.”

Væksten i Stratasys’ GAAP-bruttomargin forbedredes til 44.8%, mens deres GAAP-nettab var $26.6 million, og non‑GAAP-netresultatet begyndte at opnå rentabilitet. $4.5 million i kontanter blev rapporteret til at blive brugt i driften, og årets driftskontantstrøm forbliver positiv.

Med disse stærke tal hævede Stratasys sin prognose for hele 2024. I henhold til dette rapporterede de $580 mln in revenue of $570 million, Non-GAAP net income of $5 million, and capital expenditures of $20 million.

“Vi er begyndt at transformere virksomheden med succes gennem omkostningsoptimering og ved at fokusere på højvækstmuligheder.”

– CEO Dr. Yoav Zeif said at the time

Han bemærkede yderligere, at virksomhedens hovedplatform F3300 får stor opmærksomhed, mens den fortsætter med at udvide sig i sine primære målsektorer, herunder sundhedssektoren, bilindustrien og luftfart.

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

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

– Dr. Zeif

Klik her for at lære alt om investering i Stratasys Ltd. (SSYS )

Konklusion

Beton har i århundreder været en hjørnesten i menneskelig udvikling, men den er ikke uden sine farer. Betons miljøpåvirkning bliver en alvorlig bekymring, hvilket skaber 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 principperne for additiv fremstilling har 3D‑beton‑print redefineret traditionelle processer og fremmet bæredygtighed. 

Efterhånden som verden kæmper med byudvidelse og klimaændringer, kan innovationer som 3D‑beton‑print hjælpe verden med at imødekomme de voksende og komplekse byggebehov, samtidig med at de afbøder de skadelige virkninger. Og selvom udfordringer forbliver i skalering og standardisering, vil 3D‑print over tid, efterhånden som teknologien forbedres og bliver bredt adopteret, kunne spille en nøglerolle i at forme morgendagens infrastruktur.

Klik her for en liste over de førende aktier inden for additiv fremstilling og 3D‑print.