Kan 3D‑printet betong redde miljøet?

Betong er overalt rundt oss. Fra hus, kontorer og skolebygninger til butikker, dammer, broer, fortau og veier, hjelper betong med å bygge strukturer som vi bruker hver dag. 

Betong og beslektede kalkbaserte byggematerialer har en lang historie. Romerne brukte betong i stor skala, og flere romerske konstruksjoner står fortsatt etter rundt to tusen år, ikke milliarder av år.

En kommersiell markedsrapport anslo betongmarkedet til 687,2 milliarder dollar i 2021 og forventet 821,6 milliarder i 2026. Dette var en prognose, ikke et allerede oppnådd resultat.

Denne ekspansjonen drives av veksten i byggebransjen samt økende investeringer i nye byggeprosjekter rundt om i verden. Økonomisk vekst og rask urbanisering bidrar også til den økende etterspørselen etter bolig- og næringskomplekser globalt. Etter hvert som byene vokser, øker også behovet for infrastruktur og dermed behovet for betong.

Betongens egenskaper gjør materialet mye brukt. Samtidig har produksjon og bruk miljøkostnader som må vurderes.

Betongens nytte og miljøbelastning

Betong består vanligvis av sement, vann og tilslag som sand, grus eller knust stein. Sement er bindemiddelet, ikke et annet ord for den ferdige betongen.

Sement inneholder blant annet kalsium- og silisiumforbindelser og reagerer med vann i en herdingsprosess, mens vann og sement sammen binder tilslaget til et fast materiale.

Det som gjør dette sammensatte materialet så verdifullt er egenskapene, inkludert formbarhet – evnen til nyblandet betong til å formes til nesten hvilken som helst form – og holdbarhet – som betyr at den kan vare i mange år. Dette rimelige materialet kan også tilpasses for å møte ulike byggebehov.

Betong har god trykkfasthet. Motstand mot jordskjelv, storm og andre belastninger avhenger likevel av konstruksjon, armering, materialkvalitet og utførelse; det er ikke en automatisk egenskap ved enhver betongkonstruksjon.

Betong har høy varmekapasitet og kan gi god brannmotstand, men sterke temperaturer kan også skade materialet. Reparasjon er mulig i mange tilfeller, med varierende kompleksitet og kostnad.

Betong er et av verdens mest brukte materialer. Vann er ikke et byggemateriale i samme kategori. Betong brukes blant annet i demninger, broer, veier, flyplasser, kanaler og bygninger.

Kort sagt er betong et grunnleggende materiale i bygging, og spiller en avgjørende rolle i å forme infrastrukturen rundt oss. 

Produksjonen har imidlertid betydelige klima- og ressurskostnader. Dette må skilles fra påstanden om at all ferdig betong er farlig å bruke.

Sementproduksjon står for en betydelig andel av de globale CO2-utslippene. En ofte sitert historisk beregning angir omtrent 1,6 milliarder tonn årlige utslipp fra deler av produksjonen. Anslag rundt 8% kan omfatte et bredere utslippsgrunnlag; tall med forskjellig år og avgrensning skal ikke likestilles.

Sementens utslipp må også skilles fra utslipp knyttet til hele bygge- og bygningssektoren. Den siterte forskningen beskriver bygging og drift av bygninger samlet. Historiske anslag nær 40% av energirelaterte utslipp og 36% av energibruk er ikke utslipp fra betong alene.

Artikkelen viser også til et anslag der fossile CO2-utslipp var ventet å nå omtrent 37,41 gigatonn CO2. Dette var en datert prognose. Menneskeskapte klimagassutslipp driver oppvarmingen; det eldre IPCC-intervallet 2030–2052 for 1,5 °C skal ikke presenteres som en ny vurdering fra 2024.

Den store bruken av betong gjør lavere utslipp viktig. Etterspørselen var ventet å øke i de siterte prognosene, men evig vekst er ikke en sikker utvikling.

Fremme av bygging med 3D‑utskrift 

Betong er nyttig i mange konstruksjoner, men produksjonen bidrar til utslipp og ressursbruk. Målet er å redusere belastningen uten å svekke nødvendige funksjoner og sikkerhet.

Mer bygging med dagens utslippsintensive metoder kan øke miljøbelastningen. Men hva om det finnes en måte å takle de skadelige effektene av dette populære byggematerialet på? 

Blant mulige tiltak er materialeffektivitet, alternative bindemidler og mindre utslippsintensiv energi. Grafen og hamp brukes eller undersøkes i enkelte byggematerialer. Kalkstein laget eller behandlet med fossil energi gjør ikke sement karbonfri.

Det finnes en annen løsning, og det er 3D‑utskrift. Nettopp! Den samme metoden som brukes til blant annet modeller, møbler, proteser og medisinsk planlegging, undersøkes også for bygging.

3D‑utskrift eller additiv produksjon, som innebærer å lage tredimensjonale objekter fra en digital fil ved å legge lag av materiale, har fått stor oppmerksomhet takket være fordelene med rask prototyping, tilpasning, kostnadsbesparelser, reduksjon av materialavfall, fremming av innovasjon og bærekraft. 

Denne teknologien blir nå brukt i bygging etter flere tiår med utviklingsarbeid. Imidlertid har bruken av 3D‑utskrift vokst betydelig de siste årene for å akselerere prosessen kraftig, optimalisere materialbruk, utforske intrikate design og skreddersydde strukturer, legge til rette for fjernbygging og forbedre sikkerheten.

Bygging på stedet kan redusere enkelte transportbehov og manuelt arbeid. Gevinstene avhenger av utstyr, materialer, armering, øvrige byggeprosesser og sikkerhetstiltak.

I 2024 nærmet utskriftsdelen av et prosjekt med 100 boliger i Texas seg ferdigstillelse. ICON sto for veggutskriften. Dette er ikke det samme som at alle boligene, med tak, installasjoner og innredning, var ferdige.

ICON er et privat selskap. Artikkelen viste til historisk finansiering der selskapet hadde hentet rundt 451 millioner dollar og var blitt verdsatt til omtrent 2 milliarder dollar. Dette er daterte opplysninger, ikke selskapets nåværende verdi.

NASA har gitt ICON en utviklingskontrakt knyttet til teknologier for framtidig bygging på Månen. Kontrakten betyr ikke at landingsplasser eller boliger allerede er bygget der.

I 2018 demonstrerte ICON et lite godkjent bolighusprosjekt i USA. Den korte utskriftstiden gjaldt betongdelen, ikke nødvendigvis alle arbeider som kreves for et ferdig hus. Jason Ballard beskrev betong slik:

«Det er et av de mest robuste materialene på jorden.»

Vulcan er et stort portallignende utskriftssystem som avsetter materiale lagvis. Artikkelen oppga en bredde på rundt 45 fot, omtrent 13,7 meter, og en masse på rundt 4,75 tonn for den beskrevne konfigurasjonen.

En sementbasert blanding med sand, vann og tilsetninger pumpes til en dyse på en bevegelig bom eller portal. Dysen følger en programmert bane; det er ikke en børste som bygger veggen.

Prosjektet omfattet utskrift av vegger til 100 boliger. Leverandøren fremhevet mulig effektivisering, men lavere kostnad, mindre avfall og færre arbeidstimer må vurderes for hele bygget og er ikke garantert i alle prosjekter.

Sektoren kan utvikle seg videre, men markedsprognosene varierer betydelig. En kommersiell rapport anslo markedet for 3D-utskrift i bygging til 5,5 milliarder dollar i 2023 og forventet svært sterk vekst, med en årlig rate på 105,8%, til 3,3 billioner dollar i 2032. Dette er en usikker prognose, ikke dokumentasjon på framtidig omsetning.

3D-utskrift kan være relevant for enkelte boligprosjekter, men boligmangel avhenger også av tomter, finansiering, regelverk, infrastruktur og etterspørsel. Behovet for boliger bekrefter ikke en bestemt markedsprognose.

Gitt den enorme interessen for 3D‑printingsbygging, gir det også mening å bruke denne teknologien til å forbedre byggemarkedet. Og det er akkurat det forskere fra Nanyang Technological University (NTU) i Singapore gjør.

NTU-forskerne utviklet en prosess som tilfører CO2 og damp under betongutskrift. Den undersøker karbonbinding i materialet; dette er ikke en generell ny oppdagelse av at betong kan 3D-printes.

Klikk her for å lære om 3D‑utskrift kan hjelpe oss med å takle boligmangelen.

3D‑utskrift av betong som fanger CO2

I 2024 publiserte NTU-forskerne sin forskning om karbonfangst og lagring ved 3D-utskrift av betong med integrert CO2 og damp.

Studien undersøkte prosessen og materialegenskapene. Reduksjoner i arbeidsbehov, byggetid og totale livsløpsutslipp kan ikke uten videre utledes fra laboratorieresultatene.

Det har vært foreslått at mer effektiv bygging kan redusere energibruk. Et tall på 5% av global energibruk er ikke en målt effekt av dette forsøket. Miljøeffekten må vurderes gjennom hele livsløpet, inkludert sementproduksjon, CO2-kilde, damp, transport og drift av utstyret. 

Imidlertid har blanding av CO2 i betong, som den siste studien gjør, blitt gjort tidligere med mål om å forbedre materialets kvalitet og bidra til å redusere sementens negative miljøpåvirkning.

Tidlige studier har allerede vist forbedringer i betongens mekaniske egenskaper gjennom direkte batch‑blanding med CO2 og ved å eksponere betong for CO2 under produksjon i karboniseringskamre, på grunn av dannelsen av et “carbonation shell.” 

Tidligere studier med andre forsøksbetingelser rapporterte blant annet økt penetrasjonsmotstand og CO2-opptak på opptil 1,16% ved blanding. Intervaller på 1,98–25,5% fra karbonatiseringsforsøk har egne material- og beregningsgrunnlag og skal ikke behandles som direkte sammenlignbare resultater fra NTU-prosessen.

Mens forskning på 3D‑betong‑utskrift i stor grad har fokusert på å designe grønne sementblandinger for å redusere karbonavtrykket, bemerket den siste studien at noen få har vurdert å videreutvikle prosesseringsteknologier, spesielt for å forbedre bulk‑karbonfangst‑ og lagringskapasiteten (CCS). 

Studier på karbonatisering av sementholdige materialer, spesielt den minimale fokuseringen på dybder, påpekte forskerne, er grunnen til at deres skalerte implementering reiser gyldighetsbekymringer. I tillegg møter kammer‑begrensede CCS‑løsninger begrensninger i maskinvare og energiforbruk når de brukes med 3DCP. Som et resultat blir fordelene med skalerbar, automatisert og på‑sted bygging redusert.

Dette viser behovet for karbonatiseringsprosesser tilpasset kontinuerlig betongutskrift, utover tradisjonell herding i lukkede kamre.

Som et resultat utviklet NTU‑forskerne en ny prosess for å studere dens effektivitet i å lagre karbondioksid.

Den nyutviklede teknologien involverer et to‑trinns ekstruderingsbasert system. Første trinn er injeksjon av CO2 og damp i den blandende betongen. Blandingen inkorporerer og lagrer deretter CO2 direkte i betongstrukturen. CO2‑en og dampen i spørsmålet kan hentes fra industrielle prosesser. Klimaeffekten avhenger av den faktiske kilden og energibruken, ikke bare av at gassen omtales som et biprodukt.

Forsøket viste 38,2% høyere karbonopptak enn det valgte sammenligningsgrunnlaget. Dette er en relativ økning, ikke at betongen består av 38,2% CO2 eller at utslippene fra hele byggingen ble redusert med samme prosent.

Designen av den proprietære printhead‑tillegget, som muliggjør regulert injeksjon av gass‑ og væsketilsetningsstoffer, tar sikte på å løse det kritiske problemet med miljømessig bærekraft i automatisert bygging. Den adresserer også behovet for on‑demand herdning, men viktigst av alt, mangelen på lett tilgjengelige CCS‑løsninger som er kompatible med 3D‑betong‑utskrift.

Studien rapporterte også forbedringer i enkelte mekaniske egenskaper under de undersøkte betingelsene. Dette kan være relevant for videre utvikling, men må ikke likestilles med dokumentert ytelse for alle fullskala konstruksjoner.

Ifølge forskningspapiret resulterte CO2‑ og damp‑integrasjonen i en økning på opptil 50% i 3D‑printbarhet, 45.3% i bøyningsstyrke og 36.8% i trykkstyrke. 

Forskerne konkluderte med at prøvene som ble utsatt for CO2 og damp under utskrift, og deretter herdet i luft, hadde høyest karbonopptak blant de undersøkte prøvene. Forskerne oppsummerte:

«Løsningen gir en lovende retning for bygging med lavere utslipp og utvider mulighetene for karbonlagring utover tradisjonell herding i lukkede rom.»

Teamet påpekte videre optimalisering av utskriftskonfigurasjoner, blandingsdesign og injeksjon av røkgasser for å redusere avfall av ren karbondioksid som råmateriale som mulige områder for fremtidig forskning.

Et børsnotert selskap innen additiv produksjon

Hele 3D-utskriftsmarkedet ble anslått til 17,5 milliarder dollar i 2024 og var forventet å nå 37,4 milliarder dollar i løpet av fem år, med en årlig vekstrate på 16,4%. Slike prognoser er usikre. Selskapet nedenfor er ikke dokumentert som deltaker i NTU-prosjektet.

1. Stratasys Ltd.

Stratasys er et populært navn i 3D‑utskriftssektoren, og de leverer løsninger på tvers av flere sektorer. Teknologier fra selskapet har bidratt til fremskritt innen 3D‑utskriftsfeltet. 

Markedsverdien på 689,5 millioner dollar, kursen på 9,66 dollar og nedgangen på 32,35% var historiske opplysninger fra 2024. Selskapet hadde et negativt resultat per aksje på 1,32 dollar; en negativ kurs-resultat-multippel bør ikke tolkes som vanlig verdsettelse av overskudd.

For tredje kvartal 2024 rapporterte Stratasys omsetning på 140,0 millioner dollar, ned fra 162,1 millioner året før. Selskapet opplyste samtidig at inntekter fra forbruksmateriell hadde økt år over år i åtte kvartaler på rad.

GAAP-bruttomarginen var 44,8%, og GAAP-nettotapet var 26,6 millioner dollar. Justert non-GAAP-nettoresultat var et overskudd på rundt 0,4 millioner. Selskapet opplyste at 4,5 millioner dollar var brukt i driften i kvartalet. Den samlede operative kontantstrømmen hittil i året var fortsatt positiv.

Stratasys opprettholdt prognosen for 2024-omsetning på 570–580 millioner dollar og hevet nedre grense for justert non-GAAP-nettoresultat til et intervall på 2,1–5,0 millioner. Anslaget for investeringer var 15–20 millioner dollar. Dette var prognoser, ikke allerede oppnådde helårsresultater.

«Vi har begynt å omstille selskapet gjennom kostnadsoptimalisering og ved å fokusere på muligheter med høyere vekst.»

– daværende administrerende direktør Yoav Zeif

Han pekte på interesse for F3300-plattformen og satsing innen blant annet helse, bilindustri og luftfart.

Omstillingsplanen hadde et mål om rundt 40 millioner dollar i årlige kostnadsbesparelser fra 2025. Det var en forventning, ikke et dokumentert resultat på kunngjøringstidspunktet.

«Vi mener vi er godt posisjonert for bedre vekst, lønnsomhet og kontantstrøm i 2025 når markedsforholdene bedres.»

– Dr. Zeif

Klikk her for å lære alt om investering i Stratasys Ltd.

Konklusjon

Betong er viktig for infrastrukturen, men produksjonen har betydelig miljøbelastning. NTU-prosessen viser en mulig måte å øke karbonbinding og forbedre enkelte materialegenskaper under betongutskrift. Netto klimaeffekt må dokumenteres med et bredere livsløpsgrunnlag.

Videre bruk krever skalering, standardisering, sikkerhetsvurdering og økonomisk dokumentasjon. 3D-utskrift kan bli et nyttig verktøy i enkelte byggeprosjekter, men løser ikke alene boligbehov eller byggebransjens utslipp.

Klikk her for en liste over de beste aksjene innen additiv produksjon og 3D‑utskrift.