ضایعات کاکتوس به عنوان یک مصالح ساختمانی مصنوعی مورد استفاده قرار می گیرد

به گزارش مجله خبری نگار، در نگاه اول، این ایده عجیب به نظر می‌رسد. اما در واقع به یکی از مشکلات بزرگ صنعت ساختمان اشاره دارد. بسیاری از مصالح مدرن سبک، مقاوم، بادوام هستند، به همین دلیل استفاده گسترده‌ای دارند. با این وجود، تولید این مواد به انرژی زیادی نیاز دارد، بازیافت آنها دشوار است، بخش بزرگی از زباله‌هایشان نیز برای دهه‌ها در محیط باقی می‌ماند.

استفاده از ضایعات کاکتوس در ساخت مصالح ساختمانی

پژوهشگران اکنون به دنبال گزینه‌های گیاهی هستند که بتوانند بخشی از عملکرد مواد مصنوعی را بدون ایجاد آلودگی زیاد انجام دهند. جدیدترین تمرکز آنها روی ضایعات کشاورزی کاکتوس گلابی خاردار است.

درون پد‌های کاکتوس، شبکه‌ای از الیاف طبیعی وجود دارد که در طبیعت وظیفه مهمی برعهده دارند. این الیاف باعث می‌شوند گیاه بتواند صاف بایستد، در برابر باد‌های شدید مناطق خشک مقاومت کند.

پژوهشگران معتقدند همین ساختار‌ها می‌توانند در آینده برای تقویت محصولات ساختمانی مورد استفاده قرار گیرند.

مت هاچینز، نویسنده اصلی این مطالعه از دپارتمان مهندسی مکانیک دانشگاه بث، توضیح داد:

«درون پد‌های تخت کاکتوس، شبکه‌ای طبیعی از الیاف وجود دارد. این الیاف ساختاری شبیه لانه زنبور ایجاد می‌کنند که به گیاه کمک می‌کند وزن خود را تحمل کند، در برابر خم شدن ناشی از باد‌های شدید مقاومت داشته باشد.»

او افزود:

«ما در حال بررسی روش‌هایی برای استخراج این ساختار‌ها بدون آسیب رساندن به آنها هستیم تا بتوانیم از ویژگی‌های طبیعی‌شان برای تقویت کامپوزیت‌های زیستی استفاده کنیم.»

چرا ضایعات کاکتوس اهمیت دارد؟

استفاده از الیاف طبیعی در مهندسی موضوع تازه‌ای نیست. دانشمندان پیش‌تر گیاهانی مانند کتان، شاهدانه، دیگر گیاهان را به‌عنوان جایگزین مواد مصنوعی آزمایش کرده‌اند.

اما مشکل اینجاست که کشت این محصولات همچنان به زمین کشاورزی، آب، سموم، کود نیاز دارد. استفاده از ضایعات کاکتوس این معادله را تغییر می‌دهد.

کاکتوس گلابی خاردار که با نام علمی Opuntia ficus-indica شناخته می‌شود، رشد سریعی دارد، در مناطق گرم و خشک که بسیاری از محصولات دیگر دوام نمی‌آورند، به‌خوبی رشد می‌کند.

کشاورزان در فرآیند تولید مواد غذایی یا برای جلوگیری از رشد بیش از حد این گیاه، مقدار زیادی از بخش‌های کاکتوس را هرس یا حذف می‌کنند. این ضایعات معمولاً ارزش اقتصادی چندانی ندارند.

مصالح پایدار برای آینده صنعت ساختمان

با گرم‌تر، خشک‌تر شدن شرایط آب‌وهوایی در بسیاری از مناطق جهان، انتظار می‌رود کاکتوس گلابی خاردار در نواحی بیشتری گسترش پیدا کند.

این موضوع می‌تواند منبع بزرگ‌تری از ضایعات گیاهی بدون استفاده ایجاد کند.

دکتر فولویو پینتو که رهبری همکاری بین‌المللی این پروژه را برعهده دارد، گفت:

«اگرچه مزایای مواد زیستی پایدار کاملاً شناخته شده است، استفاده از آنها در صنعت ساختمان هنوز محدود باقی مانده.»

او ادامه داد:

«امیدواریم با استفاده از گیاهان بومی یا دارای اهمیت فرهنگی، علاوه بر کاهش کربن نهفته در مصالح ساختمانی، پذیرش مواد طبیعی در کاربرد‌های عمرانی را نیز افزایش دهیم.»

استخراج الیاف مقاوم از کاکتوس

تبدیل ضایعات کاکتوس به ماده‌ای کاربردی به سادگی بریدن پد‌های کاکتوس و مخلوط کردن آنها با پلاستیک نیست.

پژوهشگران ابتدا باید راهی پیدا می‌کردند تا الیاف را بدون تخریب ساختار لانه‌زنبوری طبیعی آن استخراج کنند؛ ساختاری که عامل اصلی استحکام این الیاف به شمار می‌رود.

تیم تحقیقاتی دو روش استخراج را آزمایش کرد.

روش خیساندن در آب

در روش اول، گیاه برای چند هفته در آب قرار می‌گیرد تا بافت نرم آن به‌تدریج تجزیه شود، الیاف باقی بمانند. این فرآیند قرن‌ها برای استخراج الیاف کتان استفاده شده است.

روش فشار متغیر آب

روش دوم از فشار متغیر آب برای شست‌وشوی سریع بافت نرم گیاه استفاده می‌کرد. این روش زمان پردازش را حدود ۹۰ درصد کاهش داد.

با این حال، سرعت تنها معیار مهم نبود.

روش سنتی خیساندن در آب الیاف تمیزتر، مقاوم‌تری تولید کرد، بقایای کمتری نیز باقی گذاشت که می‌توانستند کیفیت ماده نهایی را کاهش دهند.

پژوهشگران همچنین دریافتند پد‌های قدیمی‌تر کاکتوس عملکرد بهتری دارند، زیرا الیاف آنها مقاوم‌تر است، راحت‌تر جدا می‌شود.

این موضوع اهمیت زیادی دارد، چون استحکام کامپوزیت نهایی تا حد زیادی به سالم ماندن الیاف در فرآیند پردازش وابسته است.

کاربرد‌های احتمالی کامپوزیت کاکتوس

وقتی پژوهشگران الیاف کاکتوس را با پلاستیک ترکیب کردند، نتایج فراتر از انتظار بود.

ماده تولیدشده نسبت به هرکدام از اجزای اولیه به‌تنهایی، سخت‌تر، مقاوم‌تر شد؛ به‌ویژه در برابر خم شدن و ضربه‌های سبک.

البته این کامپوزیت‌ها هنوز توان رقابت با فیبر کربن در شرایط بسیار پرفشار را ندارند. این مواد برای قطعات هواپیما یا سازه‌های فوق‌سنگین طراحی نشده‌اند.

اما در بسیاری از کاربرد‌های روزمره که هزینه پایین، اثرات زیست‌محیطی کمتر اهمیت بیشتری از مقاومت فوق‌العاده دارند، می‌توانند گزینه مناسبی باشند.

از کاربرد‌های احتمالی این ماده می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

پنل‌های سبک دیواری

پوشش‌های ساختمانی

قطعات داخلی خودرو

تجهیزات ورزشی مانند هسته تخته موج‌سواری

ظاهر جذاب کامپوزیت‌های کاکتوسی

پژوهشگران می‌گویند این ماده علاوه بر عملکرد فنی، از نظر ظاهری نیز جذاب است، زیرا ساختار طبیعی لانه‌زنبوری کاکتوس پس از پردازش همچنان قابل مشاهده باقی می‌ماند.

عمر الهواری که عملکرد کششی، خمشی این ماده را بررسی می‌کند، گفت:

«فراتر از استحکام مکانیکی، این کامپوزیت‌ها از نظر بصری نیز بسیار جذاب هستند، زیرا ساختار طبیعی کاکتوس در محصول نهایی دیده می‌شود.»

او اضافه کرد:

«تصویر این کامپوزیت تقویت‌شده با کاکتوس سال گذشته در مسابقه “تصاویر پژوهش” دانشگاه بث در مقابل ایستگاه قطار Bath Spa به نمایش گذاشته شد؛ موضوعی که پیوند مهندسی، هنر پایدار را نشان می‌دهد.»

حرکت جهانی به سوی ساخت‌وساز سبز

صنعت ساختمان سهم بزرگی در انتشار گاز‌های گلخانه‌ای جهان دارد. بخش مهمی از این آلودگی نه‌تنها به بهره‌برداری ساختمان‌ها، بلکه به تولید مصالح ساختمانی مربوط می‌شود؛ مفهومی که مهندسان آن را «کربن نهفته» می‌نامند.

همین مسئله باعث شده دانشمندان سراسر جهان به دنبال جایگزین‌هایی از مواد تجدیدپذیر یا ضایعات طبیعی باشند.

برخی پژوهشگران روی عایق‌های مبتنی بر قارچ، سازه‌های بامبو، پلاستیک‌های بازیافتی، الیاف گیاهی کار می‌کنند.

کامپوزیت‌های کاکتوسی نیز بخشی از همین جریان جهانی به سمت مصالح پایدار هستند.

آینده تحقیقات درباره مصالح ساخته‌شده از کاکتوس

تیم تحقیقاتی قصد دارد بررسی کند الیاف کاکتوس چگونه با پلیمر‌های ساختمانی پیوند برقرار می‌کنند، هنگام کشش یا خم شدن تحت فشار چه عملکردی دارند.

آنها همچنین روی روش‌های تولید صنعتی کار می‌کنند تا این فناوری در آینده در مقیاس گسترده قابل استفاده باشد.

اگر این فناوری موفق شود، ساختمان‌های آینده ممکن است بدون آنکه متوجه شویم، بخش‌هایی ساخته‌شده از گیاهی داشته باشند که بیشتر با بیابان شناخته می‌شود تا آزمایشگاه‌های مهندسی.

این پروژه بخشی از یک برنامه پژوهشی بزرگ‌تر مرتبط با مرکز طراحی و مهندسی باززاینده برای جهانی مثبت، دانشگاه کاتانیا در سیسیل است.

نتایج کامل این پژوهش در نشریه Journal of Natural Fibers منتشر شده است.

جمع‌بندی

استفاده از ضایعات کاکتوس برای تولید مصالح ساختمانی می‌تواند راهکاری کم‌هزینه، دوستدار محیط زیست، نوآورانه برای آینده صنعت ساخت‌وساز باشد. این فناوری هنوز در مراحل تحقیقاتی قرار دارد، اما نتایج اولیه بسیار امیدوارکننده هستند. 

منبع:فوت و فن