Revolutionaire levende constructiematerialen: de toekomst van de bouw?

Nieuwe ontwikkelingen in levende constructiematerialen bieden veelbelovende oplossingen voor de vernietigende milieu-impact van de bouwsector.
Industries: Landbouw
  • Levende materialen voor de bouw
  • 3D-printen met ruwe aarde
  • Bouwen met schimmels
  • Omgaan met Sick Building Syndrome
  • Geprogrammeerde bacteriën laten bouwmaterialen organisch groeie

De bouw is een van de minst duurzame sectoren ter wereld en is verantwoordelijk voor ongeveer de helft van het gebruik van niet-hernieuwbare materialen. Gebouwen verstoren bovendien de natuurlijke omgeving en dragen ook na voltooiing van de constructie vaak nog lang en aanzienlijk bij aan vervuiling. Uit sommige onderzoeken blijkt zelfs dat de bouwsector verantwoordelijk is voor bijna de helft van de wereldwijde CO2-uitstoot en speelt daarmee een belangrijke rol in de klimaatverandering. Er is echter hoop – de afgelopen jaren zijn er opmerkelijke vorderingen gemaakt op het gebied van technologie en gebouwontwerp. Deze veranderingen kunnen mogelijk een keerpunt zijn voor de duurzaamheid van de bouwsector en maken het mogelijk om in meer harmonie met de natuur te leven.

Levende bouwmaterialen 

De meeste gebouwen zijn en worden – overwegend of volledig – gemaakt van niet-hernieuwbare materialen. Het duurzame concept van levende constructiematerialen is echter zeer veelbelovend. Levende bouwmaterialen zijn materialen die functies van levende organismen nabootsen, zoals groeien, herstellen en vermenigvuldigen. Bovendien kunnen deze materialen uiteindelijk terugkeren naar de aarde nadat ze hun doel hebben gediend. In sommige gevallen bestaan ​​levende materialen uit bacteriën of schimmels. Sommige wetenschappers hebben zelfs bakstenen gemaakt van fotosynthetische cyanobacteriën, mariene bacteriën synechococcus, of E.coli, die, geloof het of niet, voor dit doel zeer veilig en nuttig kunnen zijn.

3D-printen met ruwe aarde

Het in Israël gevestigde bouw- en ontwikkelingsbedrijf Rogovin heeft bij verschillende projecten in ecologische innovatie geïnvesteerd, waaronder een project met de naam ‘To Grow a Building’. Dit innovatieve bouwproject werd tijdens de Jerusalem Design Week 2022 in een buitenlabruimte gepresenteerd. Het project omvat een op maat gemaakte robotarm die wordt bestuurd door een computer die is geprogrammeerd met digitale workflows en wordt gebruikt om kleine constructies van zaden en aarde te bouwen. Deze materialen worden met behulp van 3D-printtechnologie in lagen ‘geplant’. Zodra de constructie door de robot is voltooid, blijven deze bouwwerken groeien zoals de materialen van nature groeien: de vegetatie neemt toe en de wortels nestelen zich in de aarde.

“Het project vormt een portaal naar een toekomstige wereld waar sommige mensen gebouwen bouwen en anderen deze juist laten groeien… Het is een op maat gemaakte machine die een complexe taak kan uitvoeren: een structuur 3D-printen bestaande uit zaden en aarde. Na voltooiing van het printen krijgt de structuur een eigen leven: de zaden ontkiemen, de muren krijgen een mooie groene gevel en de binnenkant van de muur wordt gevuld met droge wortels en creëert daarmee een nieuw en sterk materiaal. In plaats van gebouwen van beton laten we met dit project een architectuur zien waarbij lokale grond en wortels als structurele elementen gebruikt worden.”

Promotiemateriaal voor Jerusalem Design Week 2022

Rogovin is niet het enige bedrijf dat in 3D-printtechnologie voor levende bouwmaterialen investeert. De in Italië gevestigde firma Mario Cucinella Architects en het 3D-printbedrijf Wasp hebben onlangs een volledig huis geprint van ruwe aarde. Het proces dat ze hiervoor hebben ontwikkeld is bekend als TECLA – oftewel technologie en klei. Bij het TECLA-model wordt gebruikgemaakt van onderzoek naar lokale constructie (of het gebruik van alleen lokaal geproduceerde materialen) en bio-klimatologische principes. Deze zijn gericht op het gebruik van duurzame hulpbronnen en het terugdringen van verspilling. TECLA maakt gebruik van een proces dat vergelijkbaar is met het To Grow a Building-project, waarbij ruwe aarde, aarde en zaden als composiet bouwmateriaal worden geprint. Het gebruik van duurzame, lokaal geproduceerde materialen maakt dit een veelbelovend voorbeeld van koolstofarme constructie waarmee de bouwsector een transitie kan maken naar meer duurzaamheid en een milieuvriendelijkere sector kan worden.

Bouwen met schimmels

Naast grond, zaden en aarde, wordt er tegenwoordig ook onderzoek gedaan naar schimmels als bouwmateriaal. Eén soort schimmel, mycelium, is zowel biologisch afbreekbaar als extreem duurzaam gebleken en is al in verschillende bouwprojecten getest. Mycelia kan een grote verscheidenheid aan vormen en structuren aannemen, afhankelijk van de omstandigheden, waardoor deze schimmel bijzonder nuttig kan zijn voor bouwprojecten. Ontwerpbureau Arup Group en architect David Benjamin zijn een samenwerkingsverband aangegaan voor de bouw van een 40 meter hoog paviljoen in New York. De bouwmaterialen bestaan uit bakstenen van een composiet van mycelium en maïskolven. Deze stenen produceren geen afval – sterker nog, met dit proces kan zelfs bestaand landbouwafval gerecycled worden – veroorzaken geen CO2-uitstoot en ze zijn stevig en licht van gewicht. En omdat er meer dan anderhalf miljoen bekende soorten schimmels bestaan heeft mycelium enorm veel potentieel in de bouw.

Een ander in New York gevestigd bedrijf, Ecovative, gebruikt mycelium om materialen als plastic en piepschuim voor productverpakkingen te vervangen. Dit trok de aandacht van Harris Wang, universitair hoofddocent systeembiologie, pathologie en celbiologie aan het Columbia University Irving Medical Centre. Wang vroeg zich af of een vergelijkbare methode kon worden gebruikt om een ​​levend materiaal te maken en verzocht Ecovative hem producten uit hun fabriek te sturen zonder de materialen eerst te steriliseren. Wang was ervan overtuigd dat de zelfherstellende en samensmeltende eigenschappen van schimmel dit een ideaal biologisch afbreekbaar bouwmateriaal zouden maken. Een vierjarige samenwerking tussen Wang en Damen Schaak, de hoofdwetenschapper van Ecovative, leidde tot de ontwikkeling van blokken, bakstenen en dozen van schimmelcomposiet die qua consistentie en functionaliteit vergelijkbaar zijn met piepschuim. Net als de bestaande producten van Ecovative waren deze materialen duurzaam en zo ontworpen dat ze na gebruik biologisch afbreekbaar zijn, hoewel ze ook het vermogen hadden om in de loop van de tijd en als reactie op externe prikkels te blijven groeien en veranderen. Een van de meest interessante bevindingen was dat de stenen kunnen worden geprogrammeerd om moleculaire signalen te produceren en te ontvangen waarmee ze verontreinigende stoffen (bijvoorbeeld cholera en koolmonoxide) kunnen detecteren en zelfs met elkaar kunnen communiceren.

Omgaan met Sick Building Syndrome

Naarmate we steeds meer tijd binnenshuis en in kantoorgebouwen doorbrengen, worden we ook vatbaarder voor aandoeningen als Sick Building Syndrome – een verzamelnaam voor symptomen die rechtstreeks verband houden met langdurig binnen verblijven en die over het algemeen verdwijnen zodra de persoon in kwestie het gebouw weer heeft verlaten. Veel voorkomende symptomen zijn ademhalingsproblemen, misselijkheid, irritatie van de keel of huid en zelfs cognitieve problemen. Sick Building Syndrome kan worden veroorzaakt door allerlei problemen met het gebouw, zoals onvoldoende ventilatie, verontreiniging door dampindringing en schadelijke bouwmaterialen. Een extreem maar algemeen bekend geval van een bouwmateriaal dat gezondheidsproblemen veroorzaakt, is asbest, dat tot het einde van de 20e eeuw op grote schaal in de bouw werd gebruikt, waarna de schadelijke effecten ervan uitgebreid in de publiciteit kwamen. Hoewel asbest in de meeste delen van de wereld is uitgefaseerd, worden er nog wel steeds andere schadelijke stoffen gebruikt en zijn de gevaren van veelgebruikte materialen mogelijk nog niet ontdekt. Overstappen op het gebruik van organische materialen, zoals grond en ruwe aarde, zou het aantal gevallen van Sick Building Syndrome kunnen terugdringen. Materialen als ruwe aarde worden immers al vele eeuwen en overal om ons heen gebruikt.

Geprogrammeerde bacteriën laten bouwmaterialen organisch groeien

In veel opzichten zijn gebouwen op dezelfde manier gestructureerd als levende organismen: ze hebben externe structuren om hun interne processen te beschermen, ze gebruiken energie en regelen hun temperatuur, en ze creëren ook afval. Maar ineffectief gebouwontwerp kan ertoe leiden dat deze processen ‘uit balans’ raken. Als de ventilatie slecht is, kunnen temperatuur en luchtstroom bijvoorbeeld niet goed geregeld worden. Een gebouw dat gemaakt is van natuurlijke, levende materialen is vergelijkbaar met een levend organisme en zorgt voor een optimale algehele ‘gezondheid’ van het gebouw en de gebruikers ervan. Een team van onderzoekers van de University of Colorado Boulder heeft verschillende natuurlijke producten ontwikkeld, zoals beton op basis van algen, waarvan zij denken dat ze kunnen worden gebruikt om koolstofvrije en zelfs koolstofnegatieve gebouwen te bouwen die zichzelf kunnen repareren en zich aan hun omgeving kunnen aanpassen. Het Living Materials Laboratory van de universiteit gebruikt “synthetische biologie-toolkits om bacteriën te ontwikkelen om nuttige mineralen en polymeren te creëren en hiermee levende bouwstenen te creëren waarmee we op een dag levende gebouwen kunnen bouwen.” Zo zijn cyanobacteriën –  groene, algenachtige micro-organismen die gewoonlijk in aquaria groeien – al gebruikt om een ​​‘biocement’ te creëren waarmee, in combinatie met zand, een ‘levende baksteen’ geproduceerd werd.

“Door de cyanobacteriën in leven te houden konden we bouwmaterialen exponentieel produceren. We namen een levende steen, splitsten deze in tweeën en konden zo twee volle stenen uit de helften ‘kweken’. De twee volle stenen groeiden uit tot vier en vier groeiden uit tot acht. In plaats van één steen tegelijk te maken, hebben we de exponentiële groei van bacteriën aangewend om veel stenen tegelijk te laten groeien – dit is een volledig nieuwe methode om materialen te produceren.”

Wil Srubar, assistent-professor Architectural Engineering and Materials Science, University of Colorado Boulder

Een ander bedrijf dat biocement gebruikt – het Amerikaanse Biomason – heeft inmiddels aanzienlijk vooruitgang geboekt op het gebied van duurzame bouwpraktijken. Met behulp van een productieproces van de Technische Universiteit Delft, waarbij levende bacteriën in gelaagde structuren ge-3D-print worden, produceert Biomason biogecementeerde blokken en tegels. In tegenstelling tot traditionele cementproductiemethoden, waarbij fossiele brandstoffen tot extreem hoge temperaturen moeten worden verhit – een proces dat verantwoordelijk is voor ongeveer 8 procent van de wereldwijde CO2-uitstoot – kan biocement bij kamertemperatuur geproduceerd worden. Biomason heeft ook financiering van het Amerikaanse ministerie van Defensie gebruikt om biocement te maken dat onder water kan worden gebruikt, zoals in zeeweringen. Dit zelfherstellende materiaal maakt gebruik van kalk en koolstof uit zeewater om scheuren en barsten te herstellen. Hoewel bestaande voorbeelden van het gebruik hiervan (nog) beperkt zijn, is de technologie zeer veelbelovend.

Een laatste overweging

Het produceren van ‘levende bouwmaterialen’ is een zeer recente ontwikkeling en we zijn nog maar net begonnen met ontdekken wat de mogelijkheden van deze methoden en technologieën zijn. Voordat deze methoden op grote schaal commercieel levensvatbaar kunnen worden moeten er wel diverse uitdagingen overwonnen worden. Denk aan de (hoge) kosten, de noodzaak van veiligheidstests, het potentieel voor biobesmetting en diverse diepgewortelde opvattingen – of misvattingen – over levende materialen. Zo worden levende organismen vaak met schimmels, ongedierte, onkruid en andere ongewenste zaken geassocieerd. Maar levende materialen vertegenwoordigen ook de hoop dat we de huidige, zeer onduurzame bouwsector kunnen transformeren in een sector die milieuschade niet alleen kan terugdringen, maar deze mogelijk zelfs ongedaan kan maken.

Industries: Landbouw
We zitten middenin een technologische revolutie en de trends, technologieën en innovaties die we in 2022 en daarna verwachten zijn stuk voor stuk grensverleg…

Gratis trendservice

Ontvang elke maand gratis de laatste inzichten, onderzoeksmateriaal, e-books, white papers en artikelen van ons onderzoeksteam!