Voiko 3D‑tulostettu betoni pelastaa ympäristön?

Betoni on kaikkialla ympärillämme. Talojen, toimistojen ja koulurakennusten lisäksi kaupoissa, patoissa, silloissa, jalkakäytävissä ja teillä betoni auttaa rakentamaan rakenteita, joita käytämme päivittäin.

Se ei ole lainkaan uusi materiaali. Itse asiassa betonirakenteiden varhaisin kirjallinen maininta ulottuu vuoteen 6500 eaa. Syyriassa ja Jordanian alueilla. Tämän jälkeen roomalaiset käyttivät betonia laajasti rakennuksissaan. Ja nyt, vuosituhansien jälkeen, monet näistä rakenteista seisovat yhä vahvoina.

Vuosien saatossa betonin käyttö on vain kasvanut, ja maailmanlaajuinen betonimarkkina oli arvoltaan $687.2 billion vuonna 2021. Sen odotetaan kasvavan $821.6 billion vuoteen 2026 mennessä, mikä osoittaa betonin merkityksen elämässämme.

Tätä laajentumista ohjaa rakennusalan kasvu sekä lisääntyvät investoinnit uusiin rakennushankkeisiin ympäri maailmaa. Talouskasvu ja nopea urbanisaatio lisäävät myös asuin- ja liikerakennusten kysyntää globaalisti. Kun kaupungit kasvavat, myös infrastruktuurin tarve kasvaa, ja sen myötä betonin tarve.

Vaikka tiedämme, että sementin kysyntä on jatkuvaa ja se on ollut niin ikuisuuden ajan, miksi se on alun perin niin suosittu? Ja onko kaikki niin hyvää? No, selvitetään se!

Betoni: Maailman vaarallinen tarve

Ennen kuin ymmärrämme, mikä tekee betonista niin arvokkaan, katsotaan tarkemmin, mitä se tarkalleen ottaen on. Se on sementin (tai kalkin), veden ja täyteaineiden seos, jotka koostuvat luonnollisista tai keinotekoisista hiukkasista, kuten hiekasta, sorasta tai murskatusta kivestä.

Tässä sementti, joka on valmistettu seoksesta, jossa on kalsiumia, rautaa, piitä, alumiinia ja muita ainesosia, toimii sitovana aineena, joka antaa betonille kovettumisominaisuudet, kun taas vesi aktivoi sementin muodostamaan tiiviin materiaalin.

Tämän komposiittimateriaalin arvokkuus perustuu sen ominaisuuksiin, kuten muovattavuuteen – kykyyn muokata juuri sekoitettua betonia lähes mihin tahansa muotoon – ja kestävyyteen – mikä tarkoittaa, että se voi kestää vuosikymmeniä. Tämä edullinen materiaali voidaan myös räätälöidä erilaisiin rakennustarpeisiin.

Muita betonin houkuttelevia ominaisuuksia ovat sen helppokäyttöisyys, vahvuus sekä kyky kestää paitsi raskaita kuormia ja puristusrasituksia myös ankaria sääolosuhteita ja luonnonkatastrofeja, kuten maanjäristyksiä ja hurrikaneja.

Lisäksi betoni pystyy säilyttämään lämpöä, on paloturvallinen ja helppo korjata mahdollisen vaurion jälkeen. Kaikki nämä ominaisuudet tekevät sementistä erittäin arvokkaan tuotteen, mikä on johtanut sen käytön räjähdysmäiseen kasvuun.

Kun tarkastellaan betonin käyttötapauksia, sillä on monia sovelluksia rakennusalalla. Betoni on itse asiassa maailman toiseksi yleisimmin käytetty rakennusmateriaali veden jälkeen. Sitä käytetään patoihin, siltoihin, moottoriteille, lentokentille, teille, kanaviin, vesivarastoihin ja päällystysmateriaaleihin sekä asuinrakennuksiin, liikerakennuksiin ja muihin kantaviin rakenteisiin.

Yksinkertaisesti sanottuna betoni on perusmateriaali rakennusalalla, jolla on keskeinen rooli ympäristömme infrastruktuurin muokkaamisessa.

Mutta tämä ei tarkoita, että betonilla olisi vain hyviä puolia. Itse asiassa se on äärimmäisen vaarallinen.

Aluksi sementti vastaa 1.6 billion metric tonnes hiilidioksidista (CO2), mikä on noin 8 % maailmanlaajuisista CO2-päästöistä. Rakennussektorin laaja riippuvuus sementistä pahentaa sen valtavaa hiilijalanjälkeä.

Samaan aikaan tavallisen Portland-sementin (OPC) valmistus vastaa 5 %–8 % maailmanlaajuisista antropogeenisista CO2-päästöistä. Kun tätä laajennetaan kaikkiin rakennustoimintaan liittyviin aktiviteetteihin, viimeisin tutkimus näyttää huolestuttavan kuvan: lähes 40 % energiaan liittyvistä CO2-päästöistä tulee tältä alalta, joka kuluttaa 36 % maailman lopullisesta energiasta.

Tämä on erittäin huolestuttavaa, koska CO2-päästöjen odotetaan nousevan ennätyskorkeuteen 37.41 GtCO2. CO2-päästöt ovat myös ensisijainen syy ilmaston lämpenemiseen, ja IPCC:n mukaan nykyisellä lämpenemistahtilla odotetaan lämpötilan nousevan 1,5 °C:lla esiteolliseen tasoon verrattuna vuosina 2030–2052.

Ottaen huomioon betonin ympäristövaikutukset, kun sen vuotuinen kulutus on 30 billion tonnes ja sen odotetaan jatkuvasti kasvavan, on tärkeää, että kaikki – innovaattorit, organisaatiot ja hallitukset – tarttuvat tähän ongelmaan suoraan.

Rakentamisen edistäminen 3D‑tulostuksella

Kuten yllä totesimme, betoni on välttämätön paha, sillä vaikka sillä onkin erinomaisia etuja ja se on keskeinen sivilisaatiolle, se on todella haitallinen planeetalle, joka kamppailee jo metsäkadon, ilmastonmuutoksen, biologisen monimuotoisuuden vähenemisen ja monien muiden ongelmien kanssa.

Lisää betonia seokseen, ja asiat vain pahenevat. Mutta entä jos on olemassa tapa puuttua tämän suositun rakennusmateriaalin haitallisiin vaikutuksiin?

No, yksi tapa on se, että betoni kehittyy vastaamaan maailman monimutkaisia ja kehittyneitä tarpeita. Kuten aiemmin kerroimme, edistyneitä materiaaleja kuten grafeenia ja hamppua hyödynnetään yhä enemmän rakennusmateriaaleissa. Jopa hiilivapaa sementti valmistetaan korvaamalla kalkkikivi tai käyttämällä fossiilipohjaista kalkkikiveä.

Toinen ratkaisu on 3D‑tulostus. Aivan oikein! Sama menetelmä, jota käytetään taiteen, huonekalujen ja muiden kuluttajatuotteiden luomiseen sekä rikostekniikassa, proteesien ja leikkauksissa, muuttaa myös rakennusalaa.

3D‑tulostus tai lisävalmistus, jossa kolmiulotteisia esineitä luodaan digitaalisesta tiedostosta kerrostamalla materiaalia, on saanut paljon suosiota nopean prototyyppien, räätälöinnin, kustannussäästöjen, materiaalijätteen vähentämisen, innovaation edistämisen ja kestävyyden etujen ansiosta.

Tätä teknologiaa hyödynnetään nyt rakennusalalla, mikä ei sinänsä ole uutta, sillä 3D‑tulostusta käytettiin ensimmäisen kerran rakennuksissa jo vuosikymmeniä sitten. Kuitenkin 3D‑tulostuksen käyttö on kasvanut merkittävästi viime vuosina nopeuttamaan prosessia, optimoimaan materiaalin käyttöä, tutkimaan monimutkaisia suunnitelmia ja räätälöityjä rakenteita, mahdollistamaan etärakentamisen ja parantamaan turvallisuutta.

3D‑tulostuksen monipuoliset hyödyt sisältävät myös lyhyemmät toimitusketjut paikallisrakentamisen ansiosta sekä merkittävän työpaikkavaarojen vähenemisen, koska manuaalisen työn tarve riskialttiissa toiminnoissa vähenee.

Tänä vuonna näimme maailman suurimman 3D‑tulostetun asuinalueen Texasissa lähes valmiina, kun se oli kahden vuoden rakennusvaiheessa. Tämän projektin takana on 3D‑tulostusyritys ICON.

Yksityinen yritys ICON ei ainoastaan tulosta asuinrakennuksia, vaan on myös mukana puolustus- ja avaruusrakentamisessa. Alle kymmenen vuotta sitten ICON keräsi yhteensä $451 million, mikä nosti sen arvostuksen noin $2 billion. Yritys on myös solminut sopimuksen NASA:n kanssa rakentaakseen laskeutumisalueita, suojia ja muita rakenteita Kuuhun osana Artemis‑kuun tutkimusohjelmaa.

Vuonna 2018 se rakensi ensimmäisen luvan saaneen 350 square‑foot (noin 32,5 m²) 3D‑tulostetun kodin Yhdysvalloissa, mikä kesti vain kaksi päivää. Talo rakennettiin betonista, koska ICO:n toimitusjohtaja Jason Ballard totesi:

“Se on yksi maapallon kestävimpiä materiaaleja.”

Texasin yhteisölle yritys käyttää Vulcan‑tulostinta, joka muistuttaa tavallista pöytätason 3D‑tulostinta ja kerrostaa kerros kerrokselta. Tämä Vulcan‑tulostin eroaa siinä, että se on 45 feet (noin 13,7 m) leveä ja painaa 4.75 tons.

Prosessissa betoni jauhe sekoitetaan hiekkaan, veteen ja muihin lisäaineisiin, ja se pumpataan sitten tulostimeen. Betoni seos puristetaan suuttimen kautta harjalle, joka kerrostaa kerroksittain ennalta ohjelmoidun reitin mukaisesti.

Robottitulostin on rakentanut 100 3D‑tulostettua taloa siinä, mitä se kutsuu maailman suurimmaksi 3D‑tulostetuksi yhteisöksi. Koska 3D‑tulostus on nopeampaa, edullisempaa, vähentää rakennusmateriaalijätettä ja vaatii vähemmän työntekijöitä, se tuo “paljon tehokkuutta kauppamarkkinoille”, yrityksen mukaan.

Tämä on kuitenkin vasta alkua, kuten 3D‑tulostusrakentamisen markkinoiden odotettu kasvu osoittaa. Viime vuonna markkinoiden arvo oli $5.5 billion, ja maailmanlaajuisen 3D‑tulostusrakentamisen markkinoiden odotetaan kasvavan 105.8 %:n CAGR:lla saavuttaen huikeat $3.3 trillion vuoteen 2032 mennessä.

Nämä luvut saattavat aluksi vaikuttaa uskomattomilta, mutta kuten aiemmassa artikkelissamme kerroimme, 3D‑tulostus voi nousta potentiaaliseksi ratkaisuksi vakavaan asuntopulaongelmaan, mikä tekee biljoonatavoitteesta todellisen mahdollisuuden.

Kun 3D‑tulostusrakentamiseen kohdistuu valtava kiinnostus, on järkevää hyödyntää tätä teknologiaa parantamaan rakennusmarkkinoita. Juuri tätä singaporelainen Nanyang Technological University (NTU) -tutkijat tekevät.

Tutkijat menivät askeleen pidemmälle ja 3D‑tulostivat itse betonia. Tämän vuoksi he ovat kehittäneet 3D‑betontulostusmenetelmän, joka sitoo hiilidioksidia, esitellen uuden tavan vähentää rakennusalan ympäristövaikutuksia.

Klikkaa tästä saadaksesi tietää, voiko 3D‑tulostus auttaa meitä ratkaisemaan asuntopulaa.

3D‑tulostusbetoni, joka sitoo CO2:ta

Tämän kuukauden alussa NTU:n tutkijat julkaisivat tutkimuksensa aiheesta “Hiilidioksidin talteenotto ja varastointi paikan päällä CO2‑ ja höyryintegroinnilla 3D‑betontulostuksessa.”

Tutkimus kuvaili innovatiivista menetelmää, jonka tavoitteena on merkittävästi vähentää sementin hiilijalanjälkeä vähentämällä materiaalin käyttöä, työvoiman tarvetta ja rakennusaikaa.

On myös ehdotettu, että kestävä kehitys 3D‑betontulostuksen avulla voi vähentää maailmanlaajuista energiankulutusta jopa 5 %. Nämä ympäristöhyödyt ovat mahdollisesti yhtä suuria kuin sen kyky tehostaa rakennusprosesseja.

Kuitenkin CO2:n sekoittaminen betoniin, kuten viimeisin tutkimus tekee, on aiemmin tehty materiaalin laadun parantamiseksi ja sementin negatiivisen ympäristövaikutuksen vähentämiseksi.

Varhaiset tutkimukset ovat jo osoittaneet betonin mekaanisten ominaisuuksien parantumista suoran eräsekoituksen CO2:n kanssa ja betonin altistamisen CO2:lle tuotannon aikana karbonisaatiokammioissa, mikä johtaa “karbonointikuoreen”.

Aikaisemmat tutkimukset ovat raportoineet lähes 15‑kertaisen lisäyksen läpäisyvastuksessa ja jopa 1.16 % hiilen sitoutumisen sekoittamalla laastia CO2:n kanssa puoleen tuntiin. Kiihdytetyn karbonointikäsittelyn (ACC) säätäminen osoitti edelleen 1.98–25.5 % hiilen sitoutumisen.

Vaikka 3D‑betontulostuksen tutkimus on pääosin keskittynyt vihreiden sementtimaisien seosten suunnitteluun hiilijalanjäljen vähentämiseksi, viimeisin tutkimus totesi, että vain harvat ovat pohtineet prosessiteknologioiden kehittämistä, erityisesti sen massiivisen hiilidioksidin talteenotto‑ ja varastointikyvyn (CCS) parantamiseksi.

Tutkimukset sementtimaisien materiaalien karbonoinnista, erityisesti niiden vähäisestä syvyyteen keskittymisestä, ovat tutkijoiden mukaan syitä siihen, että mittakaavassa toteutettu käyttö herättää validiteettikysymyksiä. Lisäksi kamariin sidotut CCS‑ratkaisut kohtaavat rajoituksia laitteiston ja energiankulutuksen osalta, kun niitä sovelletaan 3DCP:hen. Tämän seurauksena skaalautuvan, automatisoidun ja paikallisen rakentamisen hyödyt heikentyvät.

Tämä luo tarpeen kehittää keinotekoinen karbonointiprosessi 3D‑betontulostukseen, joka ylittää perinteiset kovetusmenetelmät.

Tämän seurauksena NTU:n tutkijat kehittivät uuden prosessin tutkiakseen sen tehokkuutta hiilidioksidin sitomisessa.

Uudessa kehitetty teknologia perustuu kaksivaiheiseen puristukseen perustuvaan järjestelmään. Ensimmäisessä vaiheessa CO2 ja höyry ruiskutetaan sekoitettuun betoniin. Seos sisällyttää ja varastoi CO2:n suoraan betonirakenteeseen. Kyseinen CO2 ja höyry saadaan talteen teollisuusprosessien sivutuotteina.

Tämä uusi lähestymistapa osoitti 38.2 %:n kasvun massiivisessa hiilenottokapasiteetissa, tarjoten vielä yhden tavan saavuttaa hiilineutraali rakentaminen 3D‑tulostetulla betonilla.

Patentoitu tulostuspään liitännän suunnittelu, joka mahdollistaa kaasumaisten ja nestemäisten lisäaineiden säännellyn ruiskutuksen, pyrkii ratkaisemaan ympäristökestävyyden kriittisen ongelman automatisoidussa rakentamisessa. Se käsittelee myös tilausvalmiiden vaatimusten ongelmaa, mutta tärkeintä on se, että markkinoilta puuttuu helposti saatavilla olevat CCS‑ratkaisut, jotka ovat yhteensopivia 3D‑betontulostuksen kanssa.

Uusi menetelmä ei ainoastaan vähennä sementin hiilijalanjälkeä, vaan sen on myös osoitettu parantavan betonin mekaanisia ominaisuuksia. Tämä puolestaan tarjoaa rakenteelle suurta vahvuutta verrattuna perinteiseen 3D‑tulostettuun betoniin.

Tutkimuspaperin mukaan CO2‑ ja höyryintegraatio johti jopa 50 %:n kasvun 3D‑tulostettavuudessa, 45.3 %:n lisäyksen taivutuslujuudessa ja 36.8 %:n kasvun puristuslujuudessa.

Tutkijat päättelivät, että näytteet, jotka altistettiin CO2‑höyryintegroituun tulostukseen ja avoimeen ilmankovetukseen, saivat suurimman hiilenottokapasiteetin. Tutkijoiden mukaan:

“Esitetty ratkaisu tarjoaa lupaavan polun kohti hiilineutraalia rakentamista samalla laajentaen käyttökelpoisia vaihtoehtoja CCS:lle perinteisten suljettujen kovetusmenetelmien ulkopuolella.”

Tiimi korosti myös tulostuskonfiguraatioiden, seosvalmistusten ja savukaasujen ruiskutuksen optimointia puhtaan hiilidioksidin raaka‑aineiden hukkaamisen vähentämiseksi tulevina tutkimusalueina.

Sijoitettavissa oleva yritys 3D‑tulostusalueella

Katsotaanpa nyt julkisesti noteerattua yritystä, joka toimii 3D‑tulostusmarkkinoilla, jonka arvoksi on arvioitu $17.5 billion vuonna 2024 ja jonka odotetaan kasvavan 16.4 %:n CAGR:lla $37.4 billion seuraavan viiden vuoden aikana. Tämä edistää alaa ja auttaa muuttamaan maailmaa parempaan suuntaan.

1. Stratasys Ltd. (SSYS )

Stratasys on tunnettu nimi 3D‑tulostusalueella, ja se tarjoaa ratkaisuja useille sektoreille. Yrityksen teknologiat ovat edistäneet 3D‑tulostuksen kehitystä.

689.5 million dollarin markkina‑arvolla Stratasysin osakkeet käyvät tällä hetkellä $9.66, mikä on 32.35 % lasku tänä vuonna. Yrityksen EPS (TTM) on -1.32 ja P/E (TTM) -7.30.

Vuoden 2024 Q3:lle Stratasys raportoi $140.0 million liikevaihdon, mikä on nousu $162.1 millioniin, joka kirjattiin samassa neljänneksessä viime vuonna. Näiden lukujen perusteella yrityksen toistuva kulutustarvikkeiden liikevaihto on kasvanut kahdeksan peräkkäisen neljänneksen ajan, mikä yrityksen mukaan “heijastaa jatkuvaa vahvaa tulostimen käyttöä.”

Stratasysin GAAP‑bruttokate kasvoi 44.8 %:iin, kun taas GAAP‑nettotappio oli $26.6 million, ja non‑GAAP‑nettotulo alkoi saavuttaa kannattavuutta. $4.5 million käteistä raportoitiin käytetyksi toiminnassa, ja kuluvan vuoden operatiivinen kassavirta pysyy positiivisena.

Näiden vahvojen lukujen myötä Stratasys nosti näkymänsä koko vuodelle 2024. Tämän mukaan se raportoi $580 mln liikevaihdon $570 millioniin, non‑GAAP‑nettotulokseen $5 million ja pääomamenojen $20 million.

“Olemme onnistuneesti aloittaneet yrityksen muuntamisen kustannusoptimoinnin ja korkeamman kasvun mahdollisuuksiin keskittymisen avulla.”

– Toimitusjohtaja Dr. Yoav Zeif totesi tuolloin

Hän lisäsi, että yrityksen pääasiallinen F3300‑alusta saa paljon huomiota, kun se jatkaa laajentumistaan tärkeimpiin kohdesektoreihinsa, kuten terveydenhuoltoon, autoteollisuuteen ja avaruusteollisuuteen.

Dr. Zeifin mukaan yrityksen uudelleenjärjestelysuunnitelma auttaa tuottamaan $40 million vuotuiset kustannussäästöt ensi vuodesta alkaen.

“Olemme hyvin asemoituneet tarjoamaan kasvavaa liikevaihtoa, kannattavuutta ja kassavirtaa vuonna 2025, jotta voimme vastata kertyneeseen kysyntään, kun markkinaolosuhteet paranevat.”

– Dr. Zeif

Klikkaa tästä saadaksesi kaikki tiedot Stratasys Ltd.:n sijoittamisesta.

Johtopäätös

Betoni on ollut ihmiskunnan kehityksen kulmakivi vuosisatojen ajan, mutta se ei ole ilman vaaroja. Betonin ympäristövaikutukset ovat vakava huolenaihe, mikä luo kiireellisen tarpeen löytää parempia ratkaisuja. NTU:n tutkijoiden viimeisin teknologia on yksi tällainen kehitys, joka suuntautuu oikeaan suuntaan. Hyödyntämällä lisävalmistuksen periaatteita 3D‑betontulostus on uudelleenmääritellyt perinteiset toiminnot ja edistänyt kestävyyttä.

Kun maailma kamppailee kaupunkilaajenemisen ja ilmastonmuutoksen kanssa, innovaatiot kuten 3D‑betontulostus voivat auttaa täyttämään rakennusalan kasvavat ja monimutkaiset tarpeet samalla lieventäen sen haitallisia vaikutuksia. Vaikka haasteita on skaalautuvuudessa ja standardoinnissa, ajan myötä teknologian kehittyessä ja laajasti omaksuttaessa 3D‑tulostus voi näytellä keskeistä roolia huomisen infrastruktuurin muokkaamisessa.

Klikkaa tästä saadaksesi listan parhaista lisävalmistuksen ja 3D‑tulostuksen osakkeista.