De biomateriales a estructuras portantes: hongos, algas y horquillas de árboles

De biomateriales a estructuras portantes: hongos, algas y horquillas de árboles

Como dijo una vez la investigadora, diseñadora y profesora del MIT Caitlin Mueller: "El mayor valor que se le puede dar a un material es otorgarle una función de soporte de carga en una estructura". Los componentes de carga –cimientos, vigas, columnas, muros, etc.– están diseñados para resistir fuerzas y movimientos permanentes o variables. Similares a los huesos de un cuerpo humano, estos soportan, protegen y mantienen todo unido. Para cumplir con esa indispensable función, deben estar fabricados con materiales de excelentes propiedades mecánicas, lo que explica el protagonismo del cemento y el acero en las estructuras. Sin embargo, su alto rendimiento tiene un alto costo: juntos, representan el 15% de las emisiones globales de CO2. Esto nos hace preguntarnos, ¿es posible que los materiales estructurales sean realmente sostenibles? Sabemos que ya existen soluciones como versiones más ecológicas del hormigón, pero hay muchas otras alternativas para explorar. Y a veces, la respuesta está más cerca de lo que esperamos; en la tierra debajo de nosotros y la naturaleza que nos rodea.

Los materiales derivados de la naturaleza –también llamados materiales biológicos o biomateriales– como el micelio, el cáñamo, la paja y el corcho, se han utilizado durante mucho tiempo en la industria de la arquitectura y el diseño. A pesar del desarrollo continuo, tienden a asociarse con revestimientos y acabados en lugar de sistemas resistentes, duraderos y autoportantes. Junto con las nuevas tecnologías, la investigación ha avanzado enormemente, dando como resultado innovaciones biológicas que muestran un gran potencial en aplicaciones estructurales.

A continuación, presentamos tres ejemplos prometedores que reemplazan al acero, el hormigón y la piedra caliza. Aunque se encuentran en etapas experimentales o tempranas de desarrollo, ciertamente contribuyen a allanar el camino para un entorno futuro más sostenible.

Horquillas desechadas de los árboles

Las horquillas son las partes de un árbol donde el tronco o la rama se divide en dos, formando una pieza en forma de Y. Aunque son excepcionalmente fuertes, se rechazan en la construcción de madera porque no son rectos. La mayoría de las juntas estructurales, por otro lado, están hechas de acero cuya producción es altamente intensiva en carbono. En este contexto, un grupo de investigadores del MIT, que comprende el Programa de Tecnología de la Construcción, la profesora Caitlin Mueller y su grupo Estructuras Digitales, aportaron un enfoque innovador. Teniendo en cuenta arquitecturas llenas de nodos en forma de Y, donde se unen elementos rectos, desarrollaron juntas de carga hechas de horquillas de árboles desechadas. Siguiendo la tendencia de la construcción con madera que busca reemplazar los componentes de hormigón y acero, esto abre una oportunidad para ganancias adicionales de sostenibilidad mediante el uso de secciones irregulares de árboles. Por lo general, estas partes se queman o muelen, liberando el carbono atrapado en la madera a la atmósfera.

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Cortesía de MIT Energy Initiative

Las horquillas para árboles son conexiones estructurales diseñadas naturalmente que funcionan como vigas en los árboles, lo que significa que tienen el potencial de transferir fuerza de manera muy eficiente gracias a la estructura de las fibras en su interior. – Caitlin Müller

La estrategia es "reciclar" estos materiales de desecho utilizándolos en la construcción como componentes estructurales. ¿Como? Con herramientas digitales y computacionales avanzadas, es posible distribuir las bifurcaciones desechadas entre los nodos en forma de Y en los diseños arquitectónicos. Se colocan de una manera que maximiza el uso de la fuerza inherente a la fibra de madera y luego se reposicionan instantáneamente si el arquitecto cambia el diseño. Para guiar el proceso de corte, los investigadores utilizan un algoritmo personalizado que calcula los cortes necesarios para hacer que una horquilla encaje en su nodo asignado. Y para armarlo todo, simplemente necesita seguir las instrucciones: “El mecanizado robótico controlado por computadora ajusta y marca las horquillas de los árboles para facilitar el ensamblaje con elementos rectos de madera”. En el futuro, el equipo planea trabajar con bibliotecas de materiales más grandes, como bifurcaciones de múltiples ramas, e incorporar nuevas tecnologías de escaneo.

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Cortesía de MIT Energy Initiative
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Cortesía de MIT Energy Initiative

Columnas de micelio impresas en 3D

Los hongos, el grupo más abundante de microorganismos del suelo, desempeñan varias funciones importantes en los ecosistemas, que van desde una importante fuente de alimentos hasta proveedores de nutrientes para las plantas. Al reconocer estas ventajas, Blast Studio desarrolló una forma de imprimir en 3D una columna estructural de dos metros de altura – conocida como Tree Column – de desechos y micelio, el sistema de raíces fúngicas. El proceso de producción comienza con la recolección de tazas de café de cartón desechadas y la ebullición de las piezas trituradas en agua para producir una pulpa esterilizada. Mezclado con el micelio, se crea una pasta de biomasa que luego se imprime en 3D para formar 10 módulos separados, que se apilan uno encima del otro y se fusionan con más micelio.

La forma rugosa y ondulada de la pieza está diseñada algorítmicamente para retener la humedad y protegerla del flujo de aire, recreando un clima ideal para el crecimiento de hongos. Pero el diseño también tiene un propósito estructural; Gracias a la elasticidad del material, la columna es liviana y eficiente en compresión y flexión. Una vez solidificado, alcanza una capacidad estructural similar al tablero de fibra de densidad media (MDF), lo que significa que el micelio puede reemplazar al concreto en edificios pequeños. Por lo tanto, la tecnología es capaz de crear, sin formas ni hormigones, volúmenes complejos que optimizan el rendimiento y reemplazan los materiales estructurales tradicionales. Actualmente, Blast Studio tiene la intención de ampliar la tecnología para imprimir un pabellón y espera construir edificios en el futuro, lo que potencialmente permitiría a las ciudades hacer crecer la arquitectura a partir de los desechos, proporcionando alimentos a sus habitantes.

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Cortesía de Blast Studio
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Cortesía de Blast Studio

Caliza cultivada en algas

El cemento Portland, el tipo de cemento más común, está hecho de piedra caliza extraída, que se quema a altas temperaturas y es responsable de una gran parte de las emisiones de gases de efecto invernadero. Con eso en mente, un equipo de investigación de la Universidad de Colorado Boulder ha creado una piedra caliza cultivada biológicamente que podría hacer que la producción de cemento sea neutra (o incluso negativa) en carbono. La idea surgió cuando Wil V. Srubar, quien dirige el Laboratorio de Materiales Vivos en CU Boulder, observó en los arrecifes de coral cómo la naturaleza es capaz de hacer crecer sus propias estructuras duraderas de carbonato de calcio, el componente principal de la piedra caliza. Junto a su equipo, comenzó a cultivar cocolitóforos, algas unicelulares que, a través de la fotosíntesis, pueden secuestrar y almacenar CO2 en forma mineral. Con la luz del sol, el agua de mar y el dióxido de carbono disuelto, estos organismos microscópicos producen las mayores cantidades de carbonato de calcio del planeta.

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Cortesía de Universidad de Colorado Boulder

Si todas las construcciones a base de cemento en todo el mundo fueran reemplazadas por cemento de piedra caliza biogénica, cada año, 2 gigatoneladas de dióxido de carbono ya no serían bombeadas a la atmósfera y más de 250 millones de toneladas adicionales de dióxido de carbono serían eliminadas de la atmósfera y almacenadas. en estos materiales. – Kelsey Simpkins, Universidad de Colorado Boulder

De esta forma, la caliza cultivada sobre algas se convierte en una alternativa ecológica. Y dado que el método implica el uso de concreto tal como lo conocemos, ya se puede usar en aplicaciones estructurales a gran escala. Esencialmente, permite las mismas propiedades y capacidades mecánicas que el concreto, pero con la posibilidad de mitigar muchos de los efectos ambientales nocivos que genera el cemento tradicional. De cara al futuro, los próximos pasos implican aumentar la producción para avanzar hacia la comercialización, pero las posibilidades ya son claras: esta versión casera de piedra caliza crea una oportunidad para convertir futuras estructuras en sumideros de carbono, así como “mejorar la calidad del aire, reducir el daño ambiental y aumentar acceso equitativo a los materiales de construcción en todo el mundo”.

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Cortesía de Universidad de Colorado Boulder

Para reemplazar los materiales de emisión estructural intensivos en emisiones, las alternativas de base biológica deben ser asequibles y fáciles de producir. Pero independientemente de los próximos desafíos, abren infinitas posibilidades; De la mano de las nuevas tecnologías, solo podría ser cuestión de tiempo que se traduzcan en un entorno más saludable.

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Sobre este autor/a
Cita: Montjoy, Valeria. "De biomateriales a estructuras portantes: hongos, algas y horquillas de árboles" [From Bio Materials to Load-Bearing Structures: Fungi, Algae and Tree Forks] 27 ago 2022. ArchDaily en Español. (Trad. Rojas, Piedad) Accedido el . <https://www.archdaily.cl/cl/987612/de-biomateriales-a-estructuras-portantes-hongos-algas-y-horquillas-de-arboles> ISSN 0719-8914

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