I en ny studie undersöker en forskargrupp från Chalmers hur restprodukter från industrin kan användas för att skapa nya material som kan bidra till mer cirkularitet inom arkitektur och byggteknik.
Det nyutvecklade materialet består av bakjäst, cellulosafibrer från trä, alginat från alger, glycerol från växter, samt vatten. Tillsammans bildar ingredienserna en sorts hydrogel – ett mjukt, geléliknande och formbart material – som kan 3D-printas.
– Jag har alltid varit intresserad av kombinationen arkitektur och levande material, och i grunden handlar denna forskning om att skapa ett arkitekturmaterial helt av organiska och förnybara ingredienser. Genom att kombinera biomaterial med digital tillverkning kan vi tänka nytt både kring hur vi designar och producerar arkitektoniska komponenter, säger forskningsledaren Malgorzata Zboinska, professor vid institutionen för arkitektur och samhällsbyggnadsteknik på Chalmers och medförfattare till en nyligen publicerad studie.
Studien kombinerar design och materialinnovation med avancerad tillverkningsteknik. Den första delen av proceduren påminner om bakning, men i lite omvänd ordning. Först hettas jästen upp för att avaktiveras, och sedan blandas de olika ingredienserna till en slät massa. Därefter kan de arkitektoniska elementen skapas med hjälp av tryckbaserad 3D-printning som görs i rumstemperatur. Detta kräver varken energikrävande uppvärmning eller extra stödstrukturer.
– 3D-printning gör det möjligt att skapa komplexa geometrier utan att producera avfall. Vi kan designa och tillverka materialet direkt – med hög grad av kontroll över form, textur och materialfördelning, säger Yagmur Bektas, doktorand vid institutionen för arkitektur och samhällsbyggnadsteknik på Chalmers och medförfattare till studien.
Med små justeringar i receptet kan materialets transparens, färg och ytstruktur förändras, vilket gör att det passar bra för interiörer som exempelvis ljus- och solavskärmning, väggpaneler eller enklare rumsavdelare. På sikt skulle jästmaterialet också kunna bli en miljövänlig ersättning för plaster och andra petroleumbaserade produkter som syntetiska textilier. Beroende på hur receptet sätts samman får materialet en naturlig nyans som varierar mellan gula och bruna toner. Färgen kan ändras med naturliga pigment eller pigmentproducerande färgstarka jästarter. Det går också att designa för olika mönster, variera hur transparent materialet är och hur det känns.
Att använda jäst som materialkomponent är något som hittills inte utforskats inom arkitekturen.
– Jäst växer exponentiellt, den kräver inte strikt kontrollerade miljöer och är inte särskilt känslig för kontaminering. Eftersom den består av encelliga organismer kan vi få fram ett mer homogent och förutsägbart material, förklarar Malgorzata Zboinska.
Det unika med forskarnas nya recept är att jästen inte används på vanligt sätt, för jäsning, utan fungerar som biomassa. Den blir då en robust ingrediens som ger materialet volym, stadga och hållfasthet. Malgorzata Zboinska lyfter också fram möjligheten att använda biprodukter från exempelvis bryggeri- och jordbruksindustrin då vissa av dessa produkter ofta kasseras. Rester som varken kan bli livsmedel eller djurfoder skulle därmed kunna användas till arkitektur.
Till skillnad från traditionella byggmaterial, som är utformade för så lång livslängd som möjligt, innebär biobaserade material nya sätt att se på hållbarhet och materialcykler. Det jästbaserade materialet är biologiskt nedbrytbart, och kan återgå till naturen efter användning – en central aspekt inom cirkulär design.
– Detta utmanar den traditionella idén om att material måste hålla för evigt, eller åtminstone ha så lång fysisk livscykel som möjligt. I stället kan vi tänka i termer av kortare livscykler och till och med se materialets åldrande eller nedbrytning som en del av designen, säger Malgorzata Zboinska.
Även om resultaten visar stor potential krävs ytterligare forskning innan materialet kan användas brett i byggnader. Kommande studier ska utvärdera viktiga egenskaper som hållfasthet, brandsäkerhet och fuktprestanda, samt att skala upp produktionen och utveckla kraftigare och mer robusta strukturer.
– Framtiden för så kallade arkitektoniska ELMs, ”Engineered living materials”, är väldigt spännande med stor potential att skräddarsy olika typer av funktioner. Det skulle till exempel kunna handla om självläkande material eller material som renar luften från skadliga ämnen och föroreningar. Det vi åstadkommit hittills är ett första viktigt steg mot att etablera en helt ny typ av arkitekturmaterial. Man kan säga att vi lägger grunden för framtida utveckling som kombinerar förnybarhet, funktionalitet och design på helt nya sätt, säger Malgorzata Zboinska.
Mer om materialet och hur det tillverkas:
Materialet består av bagerijäst (torrjäst), cellulosafibrer (från trä), alginat (från brunalger i havet), glycerol (från växter) och vatten. Varje komponent bidrar med en specifik funktion i det slutliga materialet. Glycerol fungerar som mjukgörare och ger flexibilitet, medan alginat bidrar till formstabilitet som krävs för 3D-printning. Cellulosa bidrar ytterligare till formstabiliteten och fungerar som en strukturell komponent som ger draghållfasthet när materialet belastas. Jästen fungerar som bindemedel för alla ingredienser och ger materialet dess viskositet. Innan ingredienserna blandas till en hydrogel deaktiverar forskarna jästen vilket krävs för att stabilisera materialet. Hydrogelen 3D-printas med hjälp av lufttryck och torkas i rumstemperatur till sin slutliga form.