Grafeen: de bouwsteen voor duurzame steden

Innovatie in geavanceerde materialen biedt het ontwrichtende potentieel om de manier waarop we onze toekomstige steden bouwen te transformeren – en ze groener en slimmer te maken.

De bouw wordt geassocieerd met de zogenaamde Foundation Industries – die de sectoren cementglas, keramiek, metalen, papier en bulkchemicaliën omvatten – die in totaal 28 miljoen ton materialen per jaar produceren en tot 10 procent van de totale CO in het VK vertegenwoordigen.₂ uitstoot.

Als we kijken naar de Climate Change Act (2008) en de oproep van de Britse regering om de CO2-uitstoot te verminderen tot 80 procent onder het niveau dat in 1990 werd waargenomen tegen 2050, dan is deze sector duidelijk een voor de hand liggende focus voor een nieuwe aanpak. Innovatie in nieuwe materialen zal stadsplanners, ontwikkelaars en bouwers enorm helpen om van meet af aan een koolstofvrije wereld op te bouwen.

De betonemissies verminderen

Een voor de hand liggende kandidaat is grafeen in beton te stoppen. Volgens Chatham House, het instituut voor internationale zaken, is de wereldwijde productie van cement – de ‘lijm’ die beton bij elkaar houdt – goed voor maar liefst acht procent van ’s werelds CO₂ productie.

Recente experimenten met met grafeen versterkt beton zijn veelbelovend. Mijn collega Adrian Nixon, de redacteur van het Nixene Journal (een onafhankelijke publicatie gewijd aan grafeen en 2D-materiaalwetenschappelijk nieuws), heeft een overzicht gemaakt van de verschillende onderzoeken naar het toevoegen van kleine hoeveelheden grafeen en grafeenoxide aan beton. Uit Adrian’s review bleek dat de toevoeging van slechts 0,03 procent grafeenpoeder de sterkte van beton met een conservatief gemiddelde van 25 procent verhoogde.

Dus rekening houdend met het aandeel van de cementproductie in de wereldwijde CO₂ uitstoot, zou daarom kunnen worden gesteld dat door het leveren van een efficiëntie van 25 procent voor betonproductie door de toevoeging van grafeen, we dit op hun beurt door de toeleveringsketen zouden kunnen zien lopen en mogelijk een vermindering van twee procent in wereldwijde CO₂ niveaus. Dat is een opwindend voorstel en een waarover uitvoerig zou kunnen worden gedebatteerd – maar het essentiële punt is dit: door een bescheiden hoeveelheid grafeen toe te voegen aan een bouwmateriaal zoals beton, kunnen we een transformationele impact op onze omgeving verwachten.

Slimmere steden

Het idee van het verbeteren van de duurzaamheid van de bouwmaterialen is duidelijk waar we veel aandacht aan moeten besteden, maar een ander zeer interessant gebied dat misschien over het hoofd wordt gezien, is hoe we de voordelen van geavanceerde materialen kunnen gebruiken om slimme steden van de toekomst te ondersteunen.

Slimme steden worden gezien als een manier om onze stedelijke omgevingen veel efficiënter en groener te maken door de toepassing van digitale technologieën die bijvoorbeeld onze nutsvoorzieningen en energiesystemen beter kunnen integreren en beheren.

Maar wat als een deel van deze technologie rechtstreeks is ingebed in de materialen die in onze gebouwen en infrastructuur zijn verwerkt? Het opwindende van grafeen en de bredere familie van 2D-materialen – en de eindeloze combinaties van deze ultradunne lagen om gloednieuwe ‘designermaterialen’ te ontwikkelen die ik samen de ‘grafenen’ noem – is hun buitengewone multifunctionele vermogen. Dergelijke materialen zouden ideaal zijn om een ​​nieuwe generatie slimme infrastructuur te ontwikkelen.

Geavanceerde wegennetwerken

Zo werkt het Graphene Engineering Innovation Centre, de vlaggenschip-accelerator voor geavanceerde materialen aan de Universiteit van Manchester, momenteel aan een aantal projecten met Highways England, het overheidsbedrijf dat verantwoordelijk is voor een groot deel van het wegennet van het land, en Arcadis, een toonaangevend wereldwijd ontwerp- en adviesbureau voor natuurlijke en gebouwde activa.

We ondersteunen partners, waaronder Arcadis en Highways England, bij het aangaan van de uitdagingen rond de bouw en het wegennet. Een voorbeeld kan zijn wanneer elektrische circuits op het netwerk moeten worden toegepast, meestal ondergronds en de haalbaarheid van het ontwikkelen van technologie die kan worden ingebed in de wegstructuur zelf en tegelijkertijd met de snelweg kan worden aangelegd, bijvoorbeeld als een integraal onderdeel van de structuur.

Dit is in potentie nog steeds een snel project van het type “maak of breek” en vereist veel nieuw denken – maar de oplossing zou binnen het bitumen of een oppervlaktemarkering kunnen liggen, zoals de weglijn.

Kan de weg zelf uw auto opladen?

Maar wat als we deze multifunctionele mogelijkheid zouden kunnen gebruiken voor alle infrastructuur en gebouwen van een stad of stad? Het zou de connectiviteit transformeren en de structuur van onze gebouwde omgevingen responsief en intuïtief maken voor onze dagelijkse behoeften.

We kunnen ons dus laadpunten gaan voorstellen die in ons wegennet zijn ingebed – en elke keer dat een e-auto stopt voor verkeerslichten of op een parkeerplaats staat, kan deze ter plaatse worden opgeladen. Als de voertuigen van de toekomst hybride energieopslag zouden gebruiken – dat wil zeggen een batterij-aandrijflijn met een supercondensator – dan zouden ze snel kunnen worden opgeladen terwijl hun chauffeurs met plezier door de stad rijden. En die batterijen en supercondensatoren zouden natuurlijk voorzien zijn van nieuwe materialen waarmee ze veel effectiever kunnen werken in vergelijking met de energieopslagapparaten die we tegenwoordig moeten gebruiken.

Vergelijkbare vooruitgang zou kunnen worden geboekt met sensortechnologie, die van cruciaal belang zal zijn als steden de vereiste connectiviteitsniveaus willen bereiken die nodig zijn om slimmer, efficiënter en uiteindelijk groener te worden. Grafeen en sensoren zijn een natuurlijke combinatie omdat de grote verhouding tussen oppervlak en volume, unieke optische eigenschappen, uitstekende elektrische geleiding en mobiliteit en hoge thermische geleidbaarheid van grafeen de functionaliteit van een reeks sensoren aanzienlijk kunnen verbeteren.

Grafeen en geavanceerde materialen spelen mogelijk een grote rol om onze gebouwen en infrastructuur niet alleen aanzienlijk groener, maar ook aantoonbaar slimmer te maken. Terwijl we ernaar streven de uitdaging van klimaatverandering aan te gaan en ernaar streven ‘beter terug te bouwen’, ben ik ervan overtuigd dat we met meer urgentie moeten onderzoeken hoe geavanceerde materialen de bouwstenen kunnen bieden voor een opwindende nieuwe toekomst.