Von Agro

Die Suche nach wirksamen und wertvollen Lösungen für die landwirtschaftliche Abfallbewirtschaftung war für Forscher eine inspirierende Herausforderung. Nebenprodukte aus Monokulturen, wie Rückstände aus der Sojabohnenproduktion, Maiskolben, Stroh, Sonnenblumenkerne und Zellulose, werden häufig zur Bodenkompostierung, als Tierfutter oder sogar in Energie umgewandelt, um Abfall zu reduzieren und die Umwelt zu entlasten Auswirkungen im Zusammenhang mit landwirtschaftlichen Tätigkeiten. Bei der Zuckerrohrproduktion beispielsweise fallen erhebliche Mengen an Nebenprodukten an, die sich bei einer jährlichen Produktion von zwei Milliarden Tonnen Zuckerrohr auf etwa 600 Millionen Tonnen Bagassefaserabfall belaufen. Dieses Nebenprodukt hat ein vielversprechendes Potenzial, energieintensive Bausysteme wie Beton und Ziegel zu ersetzen, indem es Baumaterialien bereitstellt, die Nachhaltigkeit und strukturelle Effizienz vereinen.

Vor diesem Hintergrund hat die University of East London (UEL) in Zusammenarbeit mit Grimshaw Architects und dem Hersteller Tate & Lyle Sugar einen innovativen Baustoff namens Sugarcrete™ entwickelt. Ziel des Projekts ist es, nachhaltige Baulösungen durch das Recycling biologischer Nebenprodukte aus Zuckerrohr zu erforschen, was wiederum die Kohlenstoffemissionen in der Bauindustrie reduziert – und das alles bei gleichzeitiger Priorisierung sozialer und ökologischer Nachhaltigkeit bei der Herstellung und Umsetzung dieser Baumaterialien.

„Die wichtigste Innovation von Sugarcrete™ besteht darin, das verbreitete Missverständnis zu widerlegen, dass Biomaterialien eine geringe strukturelle Leistung haben, und ein Material mit ausreichender struktureller Festigkeit zu schaffen, um selbsttragend zu sein“, sagt Armor Gutierrez Rivas, Senior-Architekturprofessor. Er erklärt: „Das Projekt begann als Teil einer Forschung, die durch die Lehre im Rahmen des Masterstudiengangs Architektur an der University of East London (UEL) unterstützt wurde, der sich mit der Verwendung innovativer Gebäudelösungen befasst, die lokale Probleme ansprechen. Während der Arbeit.“ Bei Sanierungsvorschlägen in Silver Town an den Royal Docks beschäftigten wir uns mit der bestehenden Industriestruktur des Gebiets und begannen, nach Nebenprodukten als Baualternativen zu suchen, einschließlich Nebenprodukten aus der Zuckerproduktion von Tate & Lyle. Erste Erkundungen wurden getestet und optimiert unter Nutzung unserer hochmodernen Einrichtungen am Sustainability Research Institute (SRI) und später in kreativer Zusammenarbeit mit Architekten von Grimshaw und Ingenieuren von AKT II als Sugarcrete™ Slab umgesetzt.“

Im Wesentlichen entsteht Sugarcrete™ durch die Kombination von Bagasse mit mineralischen Bindemitteln. Das Endprodukt ist leichter als herkömmliche Ziegel und verursacht nur 15–20 % seines CO2-Fußabdrucks. Mit einem Bruchteil von 30 % der weltweiten Bagasseproduktion hätte Sugarcrete™ das Potenzial, die traditionelle Ziegelindustrie vollständig zu ersetzen, was zu Einsparungen von 1,08 Milliarden Tonnen CO2 führen würde (entspricht 3 % der weltweiten Kohlendioxidproduktion). Zuckerrohr hat eine schnelle Wachstumsrate und ist bei der Umwandlung von CO2 in Biomasse bis zu 50-mal effizienter als die Forstwirtschaft, was es zu einem Material mit hoher Priorität für das Erreichen von Netto-Null-Emissionen macht. Darüber hinaus verfügt das Material über gute Struktureigenschaften, ist isolierend, feuerfest, lässt sich leicht mit ungelernten Arbeitskräften verarbeiten und verfügt aufgrund seiner einfachen Zusammensetzung über eine vereinfachte Lieferkette.

Laut Bamdad Ayati, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Sustainability Research Institute der UEL, „ist der Produktionsprozess von Sugarcrete™ recht einfach und ähnelt der herkömmlichen Herstellung von Betonblöcken. Er umfasst das Dosieren, Mischen, Gießen und Trocknen/Aushärten der Materialien. Die Bindemittelkomponenten sind mineralisch.“ basiert auf Standorten mit einer etablierten Zuckerindustrie und ist in großem Umfang verfügbar. Wie bei anderen Baumaterialien sind auch bei der Produktion in großem Maßstab Herausforderungen mit der Variabilität des Rohmaterials in Bezug auf Feuchtigkeitsgehalt, Partikelgröße, unerwünschte Verunreinigungen usw. verbunden.

Das Entwicklungsteam hat in Zusammenarbeit mit dem globalen Architekturbüro Grimshaw das Konzept ineinandergreifender Geometrien integriert, um neue Möglichkeiten für die Produktanwendung zu erkunden. Die ineinandergreifende Methode wurde 1699 vom französischen Ingenieur Joseph Abeille erfunden und patentiert und 1739 von Amédée François Frézier und 1737 von Truchets Traité de Stéréotomie erneut aufgegriffen. Anschließend wurde sie im 21. Jahrhundert von verschiedenen Forschungsteams entwickelt, darunter Yuri Estrin, Arcady Dyskin und Giuseppe Falacara; Michael Weizmann; und AAU Anastas Architekten zusammen mit dem Ingenieur Maurizio Brocato. Das Konzept wurde auf Sugarcrete angewendet, um abnehmbare, wiederverwendbare und feuerbeständige Verbundbodenplatten zu schaffen, die als „Sugarcrete™-Platten“ bezeichnet werden. Diese sind Teil einer Reihe von Prototypen, die darauf abzielen, innovative Baulösungen zu entwickeln, die in neue und bestehende Bauwerke implementiert, abgebaut oder erweitert werden können.

Das Projekt verwendet ein ineinandergreifendes System als Bausatz, der den Bau großer Strukturen aus kleinen, diskreten Bauteilen ohne Mörtel ermöglicht. Aufgrund seiner Reziprozität und seines Netzwerks mit verteilten Kräften übertrifft dieses System herkömmliche monolithische Baugruppen. Der Gießprozess wird eingesetzt, um Materialverschwendung zu minimieren und ermöglicht die Wiederverwendung von Schalungen und eine vereinfachte Massenproduktion sowie Möglichkeiten für Design for Manufacture and Assembly (DfMA).

Laut Elena Shilova, Architektin, Direktorin für Designtechnologie bei Grimshaw & Andy Watts, nutzte das Projekt eine vollständige digitale Werkzeugkette für die Fertigung, die Materialberechnung, parametrisches Design und Roboterfertigung integriert. Der Prozess begann mit der Eingabe von Materialeigenschaften in ein digitales Kohlenstoffanalysetool, um den jeweiligen Fußabdruck zu ermitteln. Anschließend wurde ein generatives Modell eingesetzt, um 2D-Muster in 3D-Geometrien miteinander verbundener Komponenten umzuwandeln. Mithilfe eines 6-Achsen-Roboterarms generierte das digitale Modell Werkzeugwege zur Herstellung der Formen (nach dem Aushärten und dem 3D-Scannen wurden etwaige Abweichungen in den Komponenten wieder in das digitale Modell übernommen). Ein Augmented-Reality-Assistenzset wurde verwendet, um die Bausequenz zu testen, was zu einer groß angelegten Montage führte. Nach der Montage wurde das Architekturelement zur Kalibrierung noch einmal dreidimensional gescannt. Diese digitale Toolchain ermöglicht die Erstellung eines flexiblen und anpassbaren Kit-of-Parts-Systems unter Verwendung dieses nachhaltigen Materials, das die digitale und physische Welt integriert und die einzigartigen Eigenschaften natürlicher Materialien übernimmt. Elena betont: „Wir glauben, dass Technologie genau das tun kann: ein natürliches Material mit seinen Unebenheiten, Unvollkommenheiten und seiner handwerklichen Beschaffenheit durch die Kraft von computergestütztem Design und fortschrittlicher Fertigung nutzen. Im Gegenzug ermöglichen wir, indem wir das lokale Material ermöglichen.“ auch für die Menschen und die lokale Gemeinschaft: Denn der technologische Fortschritt sollte nicht nur auf die teure Architektur aus Glas und Beton beschränkt bleiben.“

Die Sugarcrete™-Forschung wurde absichtlich ohne Patent veröffentlicht, um lokale Produzenten zu ermutigen, das Material zu übernehmen und den Zementverbrauch zu reduzieren. Alan Chandler, Co-Direktor des Sustainability Research Institute am UEL, erklärt: „In Zusammenarbeit mit Tate & Lyle Sugars haben wir Patentrecherchen durchgeführt und festgestellt, wo Bagasse in der Baustoffentwicklung patentiert wurde und welchen Umfang unser Tätigkeitsbereich hatte. Wir sind zu dem Schluss gekommen, dass unsere.“ Die Arbeit war originell und wir konnten ein Patent anmelden, entschieden uns aber gemeinsam dagegen. Dabei ging es in erster Linie darum, unsere Erkenntnisse mit den Produzentengemeinschaften im globalen Süden zu teilen, anstatt deren Produkte zu kontrollieren. Unsere Entscheidung, nicht zu patentieren, war eher ethischer Natur als finanziell.“

Tatsächlich waren ethische Überlegungen zu Innovation und Lieferkette von grundlegender Bedeutung für die Gestaltung des Projekts, das darauf abzielt, tragfähige, faire und robuste Lieferketten zu etablieren, die gerechte Ergebnisse für Hersteller und Nutzer gewährleisten. Dabei geht es nicht nur um die Reduzierung des CO2-Ausstoßes, sondern auch um soziale und ökologische Nachhaltigkeit. Das Team hat außerdem Standorte in zuckerproduzierenden Regionen des globalen Südens identifiziert, um die Implementierungsmöglichkeiten weiter zu erweitern, und plant, den Prototyp bald in realen Szenarien zu testen.

Durch sorgfältige und bewusste Entwicklung stimmt uns Sugarcrete optimistisch in Bezug auf das Zukunftsszenario der Bauindustrie, deren negative Auswirkungen auf die Umwelt erheblich sind und wirksames (und schnelles) Handeln erfordern. Wie Alan Chandler erklärt: „Der Ethos der Materialinnovation zur Bewältigung der Klimakrise muss sowohl die Lieferkette als auch die Leistungsspezifikation gestalten. Kohlenstoff steht ganz oben auf der Liste; wir sollten auch die Toxizität in Bezug auf Gesundheit und Sicherheit im Bauwesen erwähnen.“ Prozesse. Der Einsatz von Bagasse und anderen schnell wachsenden biologischen Produkten in Kombination mit inerten mineralischen Bindemitteln, nicht nur für Dämmschichten, sondern auch für die Struktur, führt dazu, dass chemisch verunglimpfte und auf fossilen Brennstoffen basierende Produktlinien allmählich von Baustellen verschwinden. Dies betrifft direkt die Sicherheitsprioritäten des Bausicherheitsgesetzes während der Herstellungs-, Bau-, Abriss-, Wiederverwendungs- und Entsorgungssequenzen.“ Elena Shilova schließt mit den Worten: „Branchenübergreifend können wir viele Möglichkeiten für lokale und nachhaltige Materialien und ungenutzte landwirtschaftliche/industrielle Nebenprodukte finden. Diese Materialien, die möglicherweise nicht glamourös und elegant aussehen, sind das neue Hightech im Angesicht.“ des Klimanotstands. Der Klimanotstand erfordert eine neue architektonische Sprache für Materialien wie Sugarcrete™, um ihr Potenzial wirklich auszuschöpfen und zu würdigen, ohne sie für ein „modernes“ Aussehen zu überziehen und zu verbergen. Diese neue architektonische Sprache und ein Wandel in der Denkweise werden es tun machen letztendlich natürliche Materialien für Kunden attraktiv, erhöhen die Nachfrage und senken den Preis aufgrund von Skaleneffekten.“

Die Anerkennung des innovativen Ansatzes von Sugarcrete™ für nachhaltiges Bauen führte zu seiner Nominierung für den diesjährigen Earthshot Award, der als größte globale Auszeichnung für die Umwelt bekannt ist und innovative Lösungen würdigt, die sich positiv auf den Planeten auswirken. Um den Fortschritt des Projekts zu verfolgen und weitere Informationen zu erhalten, besuchen Sie die offizielle Website.

Materialkonzept, Design und Herstellung:Armor Gutierrez Rivas, Dozent für Architektur, UELAlan Chandler, Co-Direktor des Sustainability Research Institute, UELBamdad Ayati, Forschungsstipendiat des Sustainability Research Institute, UELElena Shilova, Architektin, GrimshawMitarbeiter:John Kerr – Vizepräsident, Forschung und Technologie, Tate & Lyle SugarsAndy Watts, Direktor für Designtechnologie, GrimshawParis Nikitidis – XR-Entwickler, GrimshawPhilip Singer – Computational Design Specialist, GrimshawGeorgios Tsakiridis – Berater, GrimshawPaolo Vimercati – Berater, GrimshawRobert Sims – Leiter der Modellbauwerkstatt , GrimshawPaul Nichols – FabLab-Manager, UELDr. David Tann – Dekan der Fakultät für Architektur, Informatik und Ingenieurwesen, UELCarl Callaghan – Leiter der Abteilung für Architektur und Bildende Kunst, UELAlex Scott-Whilby – Clusterleiter für Architektur und physikalisches Design, UELNicolo Bencini – Senior Structural Ingenieur, AKTIISky Henley – Spezialist für computergestütztes DesignUEL Master of Architecture-Studententeam: Glaube Omowunmi Ogundare; Busra Ciftci; Amy Gillespie; Hinal Arvindkumar Patel; Rova Taha; Dodangodamagage Kawan Roger Ranasinghe; Manoj Sai Ganji; Mohan Ukabhai Dungrani; Anca-Madalina Borda; Alina Klimenteva; Rashmi Madagamage Gunathilaka; Orseer Isreal Gbashah; Mahmoud Sayed Abdellattif; Mert Manas Erten; Hidayati Yazmin Binti Abdul Halim; Oluchukwu Judith Obiejesi; Svetoslav Georgie Slav; Mihriban UstunFotografie:ChromafotografieVideografie:Jude AdoasiSchnitt & Film:Louis Bird und Ellie Saunders, Grimshaw