Roboty drukują beton pod wodą. "Twardnieje w sekundę"
Nowy system druku 3D pozwala wylewać beton pod wodą bez utraty wytrzymałości. To szansa na tańsze i szybsze inwestycje.
Podwodne konstrukcje z betonu do tej pory kojarzyły się z ciężkim sprzętem, nurkami i drogą logistyką. Zespół badaczy z Cornell University pokazał jednak coś zupełnie innego, a mianowicie beton, który można drukować warstwa po warstwie bezpośrednio na dnie morza, dostosowując jego właściwości praktycznie w locie. Jeśli ta technologia wyjdzie z laboratoriów, sposób budowania portów, farm wiatrowych czy podmorskich instalacji może zmienić się nie do poznania.
Beton z drukarki na dnie morza
Druk 3D z betonu znamy przede wszystkim z futurystycznych domów powstających bez szalunków i klasycznych murarzy. Specjalna mieszanka betonowa jest pompowana do dyszy robota i wytłaczana w postaci betonowego sznurka, z którego powstają kolejne warstwy ścian.
Pod wodą ta pozornie prosta idea po prostu nie działa. Beton musi być na tyle płynny, żeby dało się go pompować na duże odległości, ale jednocześnie musi bardzo szybko tężeć po wyjściu z dyszy. W przeciwnym razie woda rozmyje mieszankę – drobne cząstki cementu i dodatków zostaną wypłukane, a konstrukcja będzie słaba i pełna ubytków.
Standardowe rozwiązanie to dodawanie specjalnych domieszek ograniczających wymywanie. Mają one jednak swoją cenę, bowiem mieszanka staje się tak lepka, że trudno ją pompować, gorzej wypełnia zakamarki i często traci wytrzymałość. W efekcie inżynierowie od lat lawirują między tym, co daje się przetłoczyć przez instalację, a tym, co po ułożeniu naprawdę nadaje się na trwałą konstrukcję.
Płynne w rurach, twarde po wyjściu
W nowym rozwiązaniu naukowcy proponują dwustopniowy system druku. W pierwszym etapie do instalacji trafia bardzo płynna, łatwa do pompowania mieszanka betonowa, która jest zoptymalizowana pod kątem transportu, a nie ostatecznej wytrzymałości. Dopiero w dyszy, tuż przed wytłoczeniem, wstrzykiwana jest druga warstwa – domieszka przyspieszająca wiązanie.
Dzięki temu w rurach nadal płynie lekki, dobrze zachowujący się materiał, a dopiero przy wyjściu zmienia się on w gęstą, szybko twardniejącą masę. Co ważne, ilość przyspieszacza można regulować w czasie rzeczywistym. Jeśli robot drukuje szybciej, jeśli woda jest chłodniejsza lub cieplejsza, jeśli zmienia się geometria konstrukcji, to operator może w ułamku sekundy zmienić dawkę domieszki i dopasować zachowanie betonu do warunków.
Zespół przetestował już tę metodę, drukując próbki zarówno w powietrzu, jak i w zbiorniku z wodą. Wykonywali elementy z przewieszeniami, czyli fragmentami wystającymi w powietrze, które szczególnie łatwo się deformują i osuwają. Okazało się, że sterując odpowiednio dawką przyspieszacza, można uzyskać pod wodą kształty i wytrzymałość bardzo zbliżone do tych, które powstają na suchym lądzie.
Nie trzeba więc projektować zupełnie innych mieszanek dla warunków morskich. Wystarczy mieć materiał bazowy, którym łatwo się pracuje, i sprytne pokrętło na końcu instalacji, sterujące tym, jak zachowuje się on po wytłoczeniu.
Robot budowniczy, który korzysta z osadów z dna
Za technologią kryje się konkretny, bardzo praktyczny cel. Wyzwanie rzuciła amerykańska agencja badań obronnych DARPA, która ogłosiła konkurs na beton do druku 3D nadający się do układania na głębokości kilku metrów pod wodą. Mieszanka miała zawierać jak najmniej klasycznego cementu i w jak największym stopniu opierać się na lokalnych osadach z dna morskiego.
Transportowanie na morze tysięcy ton cementu, kruszywa i stali to ogromne koszty oraz emisje. Jeśli przynajmniej część materiału można pozyskać na miejscu, z osadów już zalegających na dnie, znika duża część problemów logistycznych.
Przeczytaj także:
Zespół z Cornell zaczął od pracy z dużym, ważącym kilka ton robotem przemysłowym, który wcześniej drukował betonowe struktury na lądzie. Potem przeniósł swoje doświadczenia pod wodę, modyfikując mieszankę tak, by w połączeniu z dwustopniowym systemem druku radziła sobie w środowisku wodnym.
Badacze pokazali, że nawet przy bardzo wysokim udziale osadów dennych można uzyskać materiał, który daje się pompować, nie rozpada się przy kontakcie z wodą, a po stwardnieniu zachowuje parametry mechaniczne zbliżone do lądowego betonu. Oznacza to, że w przyszłości robotyczne ramiona albo zdalnie sterowane pojazdy podwodne mogłyby wprost na dnie rysować z betonu łuki, fundamenty czy elementy ochronne, zamiast budować je gdzie indziej i tylko opuszczać na miejsce.
Po co tak właściwie nam druk 3D pod wodą?
Na razie cały system był testowany w spokojnych, laboratoryjnych warunkach – w basenach, bez silnych prądów i wielkich głębokości. Jeśli jednak poradzi sobie również na otwartym morzu, zastosowań nie zabraknie.
Podwodny druk 3D może pomóc przy budowie i naprawie:
- konstrukcji portowych: nabrzeży, falochronów, osłon dla pali i filarów,
- fundamentów morskich farm wiatrowych i innych instalacji energetyki offshore,
- osłon i pancerzy dla podmorskich kabli oraz rurociągów,
- sztucznych raf i struktur wspierających ekosystemy nadmiernie zniszczone przez człowieka.
Zamiast wysyłać w te miejsca setki pracowników, nurków i ciężki sprzęt, można wyobrazić sobie flotę autonomicznych robotów, które po prostu dokładają beton tam, gdzie jest potrzebny. Bez osuszania obszaru, bez stawiania szalunków, bez wielkiej ingerencji w wodny ekosystem. Dla branży budowlanej oznacza to mniejsze koszty, krótszy czas realizacji i możliwość podejmowania zadań, które dziś są nieopłacalne lub wręcz technicznie niewykonalne.
