Navodila za izdelavo diplomskega dela

Transkripcija

1 UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA GRADBENIŠTVO EKONOMSKO POSLOVNA FAKULTETA Darko Kranjc NANOTEHNOLOGIJA V GRADBENIŠTVU - NANOGRADNJA Diplomsko delo Maribor, september 2011

2 II Diplomsko delo univerzitetnega študijskega programa NANOTEHNOLOGIJA V GRADBENIŠTVU - NANOGRADNJA Študent: Študijski program: Smer: Darko KRANJC univerzitetni Gospodarsko inţenirstvo smer gradbeništvo Mentor: Mentor: dr. Danijel REBOLJ, univ.dipl.inţ.gradb. redni prof dr. Duško URŠIČ Maribor, september 2011

3 III

4 IV ZAHVALA Zahvaljujem se mentorjema dr. Danijelu Rebolju in dr. Dušku Uršiču za pomoč in vodenje pri opravljanju diplomskega dela. Prav posebna zahvala gre mojim staršem, ki so me podpirali in mi omogočili študij, ter vsem, ki so mi pri pisanju diplomskega dela kakorkoli pomagali.

5 V NANOTEHNOLOGIJA V GRADBENIŠTVU - NANOGRADNJA Ključne besede: gradbeništvo, nanotehnologija, n2m koncept, nanogradnja UDK: 69:620.3(043.2) Povzetek Diplomsko delo obravnava nanotehnologijo v gradbeništvu, s poudarkom na nanogradnji. V prvem delu je pregled, kje in na kakšen način se nanotehnologija v gradbeništvu uporablja že danes, v drugem delu, pa je podrobno obravnavan in prikazan koncept nanogradnje, ki bi lahko dobil aplikativno obliko v roku dvajsetih let. Osnovna surovina za grajenje bo ogljik, ki ga bodo nanoroboti zajeli iz ozračja, kot molekule CO 2, nato pa bodo iz molekul izločili ogljik, kisik pa spustili nazaj v ozračje. Sam proces nanogradnje bo popolnoma avtomatiziran, stroške gradnje pa naj bi znižal na minimum.

6 VI NANOTECHNOLOGY IN CIVIL ENGINEERING NANO- TO METER- SCALE BUILDING Key words: civil engineering, nanotechnology, n2m concept UDK: 69:620.3(043.2) Abstract This research is concerned with nanotechnology in civil engineering, having its main focus on nano-to meter- scale building. In the first part it is written where and on which ways nanotechnology is already used nowadays. Moreover, the concept of nano-to meter-scale building, that could get its usable form within twenty years, is discussed and shown in details. As a basic material, carbon will be used. From the atmosphere the molecules of carbon dioxide will be captured, by the nanorobots. Afterward, from these molecules, carbon will be extracted and the remaining oxygen will be released back to the atmosphere. The process itself will be fully automated and the costs of the construction will be reduced to minimum.

7 VII VSEBINA 1 UVOD OPREDELITEV PROBLEMA NAMEN IN CILJI NANOTEHNOLOGIJA SPLOŠNO O NANOTEHNOLOGIJI PREDNOSTI NANOMATERIALOV V PRIMERJAVI S TRADICIONALNIMI MATERIALI NANOTEHNOLOGIJA KOT NOVA TEHNOLOŠKA SMER IN NJEN POMEN ZA GOSPODARSTVO UPORABA NANOTEHNOLOGIJE V GRADBENIŠTVU DANES Nanokompoziti Nanopremazi Uporaba nanopremazov Samočistilne površine OGLJIKOVE NANOCEVKE NANOROBOTI NANOGRADNJA OPIS KONCEPTA PROCES NANOGRADNJE GRADBENI MATERIAL ENERGETSKE ZAHTEVE BIONANOROBOTI VIR SUROVIN IN HITROST GRADNJE BUILDING INFORMATION MODEL (BIM) POTREBNA OPREMA ZA NANOGRADNJO PREDVIDENI STROŠKI NANOGRADNJE VPLIVI NA OKOLJE DISKUSIJA... 35

8 VIII 7 SKLEP VIRI, LITERATURA PRILOGE SEZNAM SLIK NASLOV ŠTUDENTA KRATEK ŢIVLJENJEPIS... 40

9 IX UPORABLJENE KRATICE BIM - Building information model CNT - Carbon nano tube CAD - Computer Aided Design DNK - Deoksiribonukleinska kislina N2M - Nano- to meter- scale

10 Nanotehnologija v gradbeništvu - nanogradnja Stran 1 1 UVOD V letu 2011 na našem planetu ţivi ţe več kot 7 milijard ljudi. To je 6 milijard več kot leta 1801, ko je bil prvič izveden svetovni popis prebivalstva. Število ljudi skokovito narašča, prav tako pa tudi razlika med druţbenimi sloji. Premoţni postajajo premoţnejši in revni revnejši. Razlika se veča iz dneva v dan. Danes ţivimo v precej nestabilnem času. Nismo še čisto prestali prve in ţe nam grozi druga gospodarska kriza. Ukvarjamo se s problemi onesnaţevanja okolja in preračunavamo, za koliko časa bodo še zadostovale zaloge nafte, ki je eden glavnih virov energije. Cene surovin naraščajo in dosegajo rekordne vrednosti. Kljub temu, da se ţivljenjski standard večine ljudi izboljšuje, pa si več kot četrtina prebivalstva ne more privoščiti primernega domovanja. Za gradnjo objektov porabimo veliko energije in materiala. Samo s proizvodnjo cementa, za potrebe gradbeništva v ozračje izpustimo 5% celotnega izpusta ogljikovega dioksida. Če upoštevamo še ostale gradbene materiale, lahko hitro ugotovimo zakaj gradbeništvo uvrščamo med glavne onesnaţevalce okolja. V Sloveniji smo po raziskavah opravljenih leta 2005 proizvedli ton gradbenih odpadkov, predelamo in ponovno uporabimo jih le polovico, kljub temu, da potreba po naravnih mineralnih surovinah narašča.

11 Nanotehnologija v gradbeništvu - nanogradnja Stran Opredelitev problema Ţivimo v času, ko se tehnologija razvija z enormno hitrostjo. Iz dneva v dan znanstveniki prihajajo do novih spoznanj, razvijajo nove tehnologije, z namenom olajšanja ţivljenja, zmanjševanja negativnih vplivov na okolje, zniţevanja stroškov, skratka z namenom dviga kvalitete ţivljenja slehernega človeka. Zato se lahko upravičeno vprašamo, ali je morda rešitev v uvodu omenjenih problemov prav v novih tehnologijah? Ali lahko nove tehnologije pripomorejo k zmanjševanju velikih razlik med druţbenimi sloji? Ali lahko nove tehnologije pripomorejo k rešitvi gospodarske krize? Ali lahko nove tehnologije zmanjšajo odvisnost človeka od nafte oziroma jo celo nadomestijo? Ali lahko nove tehnologije, pripomorejo k zmanjševanju količine gradbenih odpadkov? Ali lahko razvijemo tehnologijo grajenja, ki ne bo imela negativnih vplivov na okolje, temveč kvečjemu pozitivne? Glede na današnje stanje se zdi mnogo od teh stvari nemogočih, vendar, ali bi lahko bila rešitev na nano nivoju? Ali je lahko rešitev v nanotehnologiji, nanogradnji? 1.2 Namen in cilji V diplomski nalogi bom predstavil in opisal povsem nov način grajenja, nanogradnjo, ki bazira na principu nanotehnologije. V tem trenutku je raziskovalni program, ki se ukvarja s področjem nanogradnje znan tudi pod imenom nano to meter scale building concept. Koncept, na katerem dela skupina strokovnjakov, znanstvenikov in raziskovalcev sicer v tem trenutku deluje zelo futuristično, vendar strokovnjaki ocenjujejo, da bodo prvi vidni rezultati doseţeni ţe v roku petih do sedmih let. Nanogradnja naj bi tako dobila aplikativno obliko v roku dvajsetih let.

12 Nanotehnologija v gradbeništvu - nanogradnja Stran 3 2 NANOTEHNOLOGIJA 2.1 Splošno o nanotehnologiji Izraz nanotehnologija označuje industrijsko rabo nanotehnike. Izraz, zajema vse materiale in naprave, s katerimi operiramo na merski lestvici velikosti nanometra. Za laţjo predstavo: en nanometer je enak tisočinki mikrometra ali milijoninki milimetra. Širina povprečnega človeškega lasu meri nm, debelina lista papirja okoli nm, dolţina valov svetlobe, ki jo zaznavamo s človeškim očesom pa je nm. Da snov obravnavamo kot nanomaterial, mora zadostovati osnovnemu kriteriju: velikost vsaj ene izmed dimenzij nanostrukture mora biti manjša od 100 nm. To je dimenzijska meja pri kateri se lastnosti nanomateriala bistveno razlikujejo od lastnosti masivnega materiala. V nanometrskem merilu postanejo pomembni kvantnomehanski pojavi, zato pa imajo nanomateriali bistveno drugačne lastnosti od običajnih materialov. Nanostrukture so lahko plastovitih oblik, v obliki nanocevk in nanovlaken, ter tridimenzionalnih nanodelcev.

13 Nanotehnologija v gradbeništvu - nanogradnja Stran 4 Slika 2.1: Prikaz velikosti nanometra (vir: Nanotechnology For Dummies)

14 Nanotehnologija v gradbeništvu - nanogradnja Stran Prednosti nanomaterialov v primerjavi s tradicionalnimi materiali Uporaba nanomaterialov vidno narašča in prihaja v splošno uporabo, saj raziskave hitro izboljšujejo mehanske lastnosti in funkcionalnosti nanomaterialov. Nanostrukturni materiali predstavljajo široko skupino materialov s strukturo, ki vsebuje nanodelce: prah (powder), glina (clay), kvantne točke (dots), plastne strukture, lamelne strukture, vlaknaste strukture (cevi, ţice, pasovi), celoviti (bluk) nanostrukturni materiali, nanokompoziti in nanoporozne strukture. Prednost nanodelcev je, da se njihove lastnosti znatno razlikujejo v odvisnosti od velikosti nanomateriala z ozirom na makromateriale. Razloga za to sta predvsem dva: veliko razmerje med površino in volumnom kvantni efekt Ostale prednostne lastnosti nanostrukturnih materialov so med drugim večja trdota ter ţilavost kovin in zlitin, izboljšana razteznost, ţilavost in oblikovnost keramike, super ţilavost in super plastičnost. Primer je nanokristaličen baker, ki je kar petkrat trši od navadnega bakra z mikro kristalično zgradbo. Primeri nekaterih perspektivnih področij uporabe so prikazani na sliki 2.2. Slika 2.2: Primeri praktične uporabe nanoizdelkov Na sliki 2.2a je prikazana primerjava UV zaščitnih sončnih krem, kjer je tista z nanodelci (ZinClear s cinkovim dioksidom) brezbarvna. Pri teniških ţogicah podjetja Wilson (slika 2.2b) z nanoprevleko (air D-Fence Technology) se je njihova ţivljenjska doba dvakrat podaljšala.

15 Nanotehnologija v gradbeništvu - nanogradnja Stran 6 Za povečanje odpornosti proti obrabi (slika 2.2c) se za pohodne površine uporabljajo nanokompoziti (TPO termoplastni olefin). Materiali so precej trdnejši in laţji v primerjavi z običajnimi. (dr. Heath, mag. Vasić; GIB letnik 13 št. 04/2004). 2.3 Nanotehnologija kot nova tehnološka smer in njen pomen za gospodarstvo Nanotehnologija je ena izmed najbolj aktivnih področij na katerem potekajo številne raziskave, ki jih financirajo mnoge vlade. Namen vsake izmed njih je, postati globalno vodilna sila na tem področju. To pravzaprav niti ne preseneča, saj nanotehnologija odpira znanstvenikom in inţenirjem povsem nove moţnosti. Nad nanotehnologijo se navdušujejo tudi poslovneţi, ki skupaj z vladami verjamejo, da bo nanotehnologija postala ključno gonilo gospodarskega razvoja 21. stoletja, nekateri pa jo celo vidijo kot nosilca naslednje industrijske revolucije. Posledica razvoja nanotehnologije naj bi bila strma gospodarska rast in odpiranje novih delovnih mest. Predvidevamo, da se bo trg nanotehnologije še naprej strmo večal. Investicije v razvoju so se povečale iz 423 milijonov dolarjev v letu 1997 na 10 milijard evrov v letu Uporaba nanotehnologije v gradbeništvu danes Nanotehnologija se danes uporablja ţe na mnogih področjih. Čeprav se je v preteklosti morda zdelo, da se bodo nanotehnologije uporabljale predvsem za druge veje industrije, so se prav v gradbeništvu nanomateriali ţe precej uveljavili. Nanodelce tako uporabljamo kot dodatke h klasičnim materialom, kot je cement, zato, da izboljšamo njihove lastnosti. Dobro so se ţe uveljavili nanokompoziti in nanopremazi, ki imajo zanimive lastnosti. Nanašamo jih v obliki premazov, glazur, tankih filmov in prevlek na najrazličnejše gradbene površine in tako z njihovo pomočjo na primer razvijemo samočistilne površine gradbenih materialov.

16 Nanotehnologija v gradbeništvu - nanogradnja Stran Nanokompoziti Intenziven razvoj gradbenih proizvodov poteka tudi na področju na področju kompozitov. Izkazalo se je, da imajo načrtno sestavljeni materiali posebno ugodne lastnosti. Na področju nanotehnologij so v ospredju nanokompoziti na osnovi polimerov. Sestavljeni so iz polimerne matrice in nanometrskih polnil različnih sestav in oblik, ki sluţijo kot ojačitev polimerne matrice. Tako dobimo materiale z veliko trdnostjo in ţilavostjo. V gradbeništvu razvijamo in smo razvili nanomateriale, ki imajo skoraj osupljive lastnosti. Njihova gostota je šest krat niţja od gostote jekla, trdnost pa je v primerjavi z jeklom dvesto krat višja Nanopremazi Premazi, ki vsebujejo nanodelce, so veliko prijaznejši do okolja, kot različna čistila, ki jih uporabljamo danes, da doseţemo enak učinek. Nanopremazi preprečujejo sprijemanje umazanije, omogočajo pa preprosto čiščenje. Nanopremazi so lahko mehansko odporni, preprečujejo lahko rjavenje, so antibakterijski ali pa oteţujejo razvoj bakterij. Nekaj prednosti nanodelcev v prevlekah in premazih: Vodoodbojnost antimikrobski efekt odpornost na obrabo odpornost na rumenjenje samočistilna sposobnost povečanje trajnosti materiala povečanje oprijemljivosti in trdnosti materiala Nanopremazi se delijo v dve osnovni skupini: premaze, ki omogočajo laţje čiščenje (''easy to clean'') in samočistilne premaze. Premazi so lahko klasični (barve, laki), lahko pa so le prevleke nanometrskih dimenzij, ki so neopazne človeškemu očesu. Betonski zidovi ali leseni izdelki zaščiteni z nanopremazom so vodoodbojni, a paropropustni, tako, da lahko material še vedno diha.

17 Nanotehnologija v gradbeništvu - nanogradnja Stran 8 Delovanje premazov, ki omogočajo laţje čiščenje si poenostavljeno lahko predstavljamo kot teflonsko prevleko, na katero se le s teţavo prime kakršna koli umazanija. Zaradi hidrofobnega in oleofobnega učinka se tekoča umazanija na nanaozaščitenih površinah oblikuje v kapljice. Čiščenje je zato podobno čiščenju teflonske posode. Večinoma potrebujemo le vlaţno krpo ali tlačni čistilec. Uporaba detergentov niti ni potrebna niti ni zaţelena, saj v nekaterih primerih celo zmanjšajo delovanje nanopremaza. Učinek in delovanje samočistilnih nanopremazov pa je lahko fizikalen ali kemičen. Fizikalni učinek lahko primerjamo z učinkom lotosa. Listi lotosa imajo samočistilni mehanizem, ki preprečuje, da bi se na njih nabirali prah, umazanija in insekti. Za take premaze je značilno, da je njihova površina na nanometrski ravni zelo hrapava. Predstavljamo si jo lahko kot desko s številnimi štrlečimi ţeblji. Stična površina med ţeblji in umazanijo je veliko manjša od površine same umazanije, zato so majhne tudi privlačne sile. Ob deţju se deţne kapljice oblikujejo v kroglice, ki se kotalijo po površini in seboj odnašajo tudi umazanijo. Razen, če se posušijo na površini, takrat nastane pikica. Samočistilni nanopremazi, ki delujejo na kemijski način, vsebujejo nanodelce titanovega dioksida, ki je znan po svojem fotokatalitičnem učinku. V nasprotju s prej omenjenimi premazi naredijo površino hidrofilno. Voda se razlije tako, da prekrije največje moţno površino. Ti premazi imajo tudi nekaj slabih lastnosti, zlasti niso obstojni, poleg tega znotraj ne delujejo, ker je premalo svetlobe Uporaba nanopremazov Nanozaščitne premaze se lahko uporablja za zaščito praktično vseh površin od usnja in betona, do trupa jaht. Za vpojne površine, kot so les, beton in kamen, je priporočljivo uporabljati nanopremaze na vodni osnovi, za marmor in druge trdne snovi pa na alkoholni osnovi. Površine, na katere nanašamo nanopremaz, je treba najprej dobro očistiti. Priporočajo uporabo čistil, ki so zdruţljiva s premazi. Fosfati in tenzidi, ki so v čistilih, predstavljajo smet, in ko ta delček odpade, je v strukturi nanopremaza luknja. Predvsem je koristno površino potrebno dobro sprati z vodo. Na lesu je potrebno odstraniti vse delce, ki jih je moč odstraniti. Za uporabo vsakega premaza se je treba nujno drţati priloţenih navodil. Nanostruktura se oblikuje več ur, zato je najbolje premaz po nanosu pustiti en dan pri miru. Preteţno se

18 Nanotehnologija v gradbeništvu - nanogradnja Stran 9 nanopremaze nanese ali nabrizga na površino in se jih po potrebi enakomerno zbriše s krpico. Če se površina sijajna ali steklena, jo je potrebo potem še malo ''spolirati''. (vir: gimvic.org ) Samočistilne površine Izpostavljene površine gradbenih objektov so podvrţene stalnemu prekrivanju s plastmi umazanije, zaradi česar se hitreje starajo, izgubljajo funkcionalnost, nenazadnje pa imajo tudi slabši estetski izgled. Po svetu potekajo intenzivne študije o razvoju samočistilnih površin za uporabo v številnih gradbenih aplikacijah, kot so materiali za stanovanjske objekte (betoni, ometi, ploščice, strešniki, kopalniška keramika, okna) in avtocestna gradnja (tuneli, pločniki, protihrupne stene, prometni znaki). Leta 2001 je podjetje Pilkington glass izdelalo samočistilna okna, pred štirimi leti je italijanski proizvajalec cementa dal na trg bel samočistilni cement, ki so ga uporabili pri gradnji cerkve Misericordia v Rimu. S tem cementom so dosegli, da fasada ohranja svetlečo belo površino. Tudi japonski in nemški proizvajalci ploščic in strešnikov so ţe razvili samočistilne izdelke, ki bazirajo na fotokatalitskem efektu. Medijsko poznana je zgradba marunouchi v Tokiu, narejena iz fotokatalitske opeke, ki preprečuje spremembo barve zaradi onesnaţevanja. Tudi v Sloveniji sledimo svetovnim trendom. Vse to so tudi izzivi za domača podjetja, ki so na omenjenih področjih ţe dejavna. Pri tem Zavod za gradbeništvo (ZAG) nudi dobro raziskovalno podporo, saj je aktiven v več mednarodnih in domačih projektih na področju samočistilnih materialov. ZAG je razvil več kvantitativnih metod za vrednotenje samočistilne sposobnosti materialov za različne aplikacije, obenem pa raziskuje tudi ekonomične postopke za sintezo nanomaterialov in pripravo končnega izdelka. ZAG je član mednarodne mreţe Nanocem, kjer raziskovalci in proizvajalci cementa generirajo nova znanja na nano in mikro nivoju, ki določajo lastnosti cementnih materialov na makro nivoju. (dr. Sever Škapin, mag. Vilma Ducman, ZAG Ljubljana 2010). Na sliki 2.4 lahko vidimo kako vpliva nanos nanopremaza na betonski zidak in les. Na desno stran posameznega materiala je nanesen nanopremaz. Na levi fotografiji vidimo, da se oljna in vinska kapljica na mestu kjer je nanesen nanopremaz ne vpijeta v material, zato

19 Nanotehnologija v gradbeništvu - nanogradnja Stran 10 ju lahko brez teţav odstranimo. Podobno velja za les, kateri ne vpija vlage, zato se mu poveča obstojnost. Slika 2.3: Prikaz zaščite gradbenega materiala z nanopremazom (vir: nanosvet.com) Ker so mnogi objekti, predvsem tisti, na katerih je na novo narejena fasada, pogosto tarča grafitarjev, so s pomočjo nanotehnologije razvili anti-grafitni premaz. Deluje podobno kot ostali premazi, torej preprečuje prijemanje barve na fasado. Če se zgodi, da grafitarji po svoje spremenijo videz fasade, se lahko nezaţelena barva preprosto obriše in fasada dobi svoj prvotni izgled. Ta premaz nudi tudi zaščito pred umazanijo in mahom. Slika 2.4: S pomočjo nanopremazov, se grafiti brez teţav odstranijo (vir: nanosvet.com)

20 Nanotehnologija v gradbeništvu - nanogradnja Stran Ogljikove nanocevke Ogljik je eden najzanimivejših materialov, s katerim znanstveniki manipulirajo na nanovelikosti. Glavni razlog je sposobnost ogljika, da tvori štiri kovalentne vezi, ki posledično pripeljejo do tvorbe verig, vezi pa so močne in se tvorijo zelo hitro, kar je tudi razlog za veliko stabilnost teh spojin. Poleg tega odlikuje ogljik dejstvo, da se lahko nahaja v dveh zelo različnih oblikah, ki sta posledica urejenosti atomov. Tako ima diamant štiri enakovredne močne vezi, ki vplivajo na trdnost pri majhni teţi, grafit pa ima tri, ki so močnejše kot pri diamantu, zaradi vezanega elektrona pa ima dobre prevodne lastnosti. Če ogljik v elementarnem stanju stiskamo, dobimo diamant. Če ga stiskamo in gnetemo, na ravni nanodelcev, se bo spremenil v nanocevke. Te strukture so ene najbolj uporabnih, kar so jih odkrili, saj so do dvestokrat močnejše od jekla, hkrati pa veliko laţje. Zamislimo si diamant, najtrdnejši do sedaj znan material, ki je sestavljen iz ogljikovih atomov, povezanih na druge atome ogljika s štirimi enako močnimi vezmi. Grafit je zelo podoben, razlikuje se le po drugačni razporeditvi moči v vezi. Veţe se v več plasti, kar povzroči, da so prečne vezi šibkejše od stranskih. Stranske vezi dobijo še vso neizkoriščeno moč iz šibkejših, kar jim daje neverjetno trdnost. Predstavljajmo si posamezno plast grafita, kot plast papirja, ki jo zvijemo in poveţemo. Nastalo cevko imenujemo nanocevka. Nanocevke je moč dodati skoraj vsem materialom, pri čemer letem tako povečujemo trdnost. Nanocevke imajo izjemne prevodne lastnosti. Prevajajo tisočkrat več električne energije kot bakrene ţice ter zdrţijo več kot milijonkrat tolikšno maso, kot tehtajo same. (vir: gimvic.org, ) 2.6 Nanoroboti Glavna ideja nanotehnologije (in posledično nanoznanosti) je izgradnja popolnega nanorobota. Znanstveniki ţelijo izdelati veliko teh majhnih naprav, ki bi imele zmoţnost premikanja posameznih atomov. Roboti naj bi imeli roko velikosti nekaj atomov, s katero bi opravljali svojo nalogo. Njihova naloga bi bila zbiranje atomov elementov iz ozračja in okolice ter pritrjevanje na druge atome. S tem naj bi več nanorobotov počasi, a vztrajno gradilo molekulo za molekulo in sestavljalo zapletene materiale, ki naj bi jih na višji stopnji sestavili v večjo celoto ter nato v delujočo napravo. Roboti naj bi imeli v sebi

21 Nanotehnologija v gradbeništvu - nanogradnja Stran 12 oddajnik in sprejemnik, s katerim naj bi jih lahko nadzorovali ter jim dajali ukaze za delovanje. Prve nanorobote, imenovane medicinski nanoroboti, ţe uporabljajo v (nano)medicini. Zaradi svoje majhnosti se lahko prosto gibajo po telesu, pri čemer jih le-to sploh ne zazna. S svojimi sposobnostmi so nepremagljivi borci proti boleznim in odlični popravljavci tkiv. Lahko so opremljeni s senzorji za določene snovi, ki jih tako spremenijo v detektorje bolezni. Po predvidevanjih naj bi nanoroboti v bliţnji prihodnosti izvajali operacije brez posegov kirurgov v človeško telo. Nanoroboti naj bi se v prihodnosti uporabljali tudi v gradbeni industriji, ker naj bi bili v velikem številu zmoţni graditi hiše in ceste. Preţiveli bodo lahko v vsakem okolju (kisline, baze, vročina), ker bodo zmoţni na ukaz spremeniti svojo kemijsko sestavo in se prilagoditi. Lahko jih bomo uporabljali za nešteto različnih namenov. Moţnosti je toliko, kot nam jih dovoli naša domišljija. Zgradba nanorobotov je teţavna in dolgotrajna, zato je teţko narediti dovolj robotov za vsakdanjo rabo. Poleg tega se zaradi svoje majhnosti hitro poškodujejo ter uničijo. Rešitev nam ponuja narava sama: reprodukcija oziroma samoizgradnja (self assembling) je način, kako naj bi potekala izdelava robotov. Vsak ţiv organizem ţe od samega začetka uporablja to metodo. Na primer: naše celice se ves čas delijo in tako razmnoţujejo. Če se ne bi, bi človek ţe zdavnaj izumrl skupaj z ostalimi ţivimi bitji. Prav tako bo z nanoroboti. Če se ne bodo zmoţni sami reproducirati, bodo preveč ranljivi za kakršno koli uporabo, proizvodnja pa bo predraga ter prezamudna. Uporaba nanorobotov bo zaţivela v praksi šele, ko bodo obvladali ''self assembling''. (vir: gimvic.org, )

22 Nanotehnologija v gradbeništvu - nanogradnja Stran 13 3 NANOGRADNJA Ideja temelji na majhnih nanorobotih, ki bodo uporabljali svetlobo, kot njihov edini vir energije. Iz zraka bodo sposobni izločiti ogljik, ki je vezan skupaj s kisikom v ogljikov dioksid, ta pa je eden glavnih problemov onesnaţevanja našega ozračja. S pomočjo ogljika pridobljenega iz zraka, bodo nanoroboti sposobni gradnje ogljikovih nanocevk različnih lastnosti, odvisno od tega, kakšne ukaze jim bomo posredovali s pomočjo svetlobe različnih valovnih dolţin. Dobra lastnost nanocevk je ta, da jim lahko glede na njihovo strukturo spreminjamo lastnosti. Iz nanocevk lahko tako dobimo material, ki je na primer prevoden. Če le nekoliko spremenimo strukturo nanocevk, pa lahko dobimo material, ki je popolni izolator. Prav tako lahko dobimo materiale, ki so in ki niso transparentni. Bionanoroboti bodo sposobni iz ogljika izdelati material, ki bo imel teoretično šest krat manjšo gostoto, hkrati pa dvesto krat višjo trdnost kot jeklo. 3.1 Opis koncepta V času diskusije in študije nanogradnje, sta se razvila dva različna pristopa. Glavna razlika med njima je, v načinu vodenja in ukazovanja nanorobotom. Pri prvem pristopu nanorobote usmerjamo in jim ukazujemo od zunaj, s pomočjo svetlobe, ki je projicirana iz projektorjev na ţelen prostor, drugi pristop pa temelji na notranjem usmerjanju ter ukazovanju. Z drugimi besedami, nanorobote bi bilo potrebno sprogramirati še preden se uporabijo. Zato se zdi, da je laţje uresničiti prvi pristop. Iz tega razloga, so mu strokovnjaki, ki delajo na tem področju posvetili več pozornosti. Top-down koncept je bil razvit z zahtevami, ki so tesno povezane z ţeljo po povečanju produktivnosti, zmanjševanju odpadkov, ter zmanjševanju onesnaţevanja in porabe energije, napram klasični gradnji. Prva zahteva je bila uporaba materiala, ki ga lahko najdemo na mestu ţelene gradnje. Ogljikove nanocevke, imajo izvrstne lastnosti, ki jih lahko poljubno prilagajamo glede na zahteve, s pomočjo ţe danes znane nanotehnologije.

23 Nanotehnologija v gradbeništvu - nanogradnja Stran 14 To dvoje je privedlo do tega, da je pri tem konceptu za osnovni material izbran ogljik. Ogljika je v naravi veliko. V vezavi s kisikom tvori CO 2, ki je eden izmed glavnih onesnaţevalcev našega ozračja. Zamisel gre tako daleč, da naj bi nanorobote naučili iz ozračja predelovati ogljikov dioksid v kisik in ogljik. Kisik bi tako izpustili nazaj v ozračje, z ogljikom pa bi gradili objekte. S tem bi meli dvojno korist, gradili bi objekte za svoje potrebe, hkrati pa prečiščevali ozračje. Naslednja zahteva je, da mora biti gradbeni proces izveden na nano nivoju s pomočjo multifunkcijskih nanorobotov, ki bodo vse potrebne informacije dobili iz natančnega računalniškega modela BIM (Building information model). Vse te zahteve, so strokovnjake pripeljale do naslednjih konceptnih rešitev: 1. Temeljni gradbeni proces se odvija na nanonivoju s pomočjo multifunkcijskih nanonaprav (nanorobotov), kateri imajo naslednje sposobnosti: Zajemanje CO 2 molekul iz zraka, iz njih izločiti ogljik, kisik pa spustit nazaj v ozračje Sposobni morajo biti gradnje 3D ogljikovih nanocevk z vnaprej določenimi karakteristikami (trdnost, prevodnost, barva, transparentnost ) 2. Nanoroboti so vodeni in pridobivajo energijo za svoje delovanje s pomočjo zunanje svetlobe, navodila za svoje delovanje pridobivajo s pomočjo svetlobe različnih valovnih dolţin. 3. Svetlobo projicira projektor, ki je nameščen nad območjem na katerem se gradi objekt. Da bi se izognili motnjam virov svetlobe iz okolice, je potrebno izbrati ustrezno valovno dolţino projiciranja. 4. Projektor uporablja za vhodne podatke natančno izdelan BIM model, s pomočjo katerega nenehno projicira horizontalne prereze objekta od temeljev pa vse do vrha modela. 5. Odprtine in podporne konstrukcije (npr. nadomestki današnjih opaţev stropov), ki nastajajo med gradnjo, so začasno napolnjene in izdelane iz ogljikovega nanomateriala, ki se pod določenimi pogoji oz. po določenem času, ko je opravil svojo funkcijo pretvori nazaj v CO Vse inštalacije, kot so na primer cevovodi, daljnovodi, komunikacijski vodi, se gradijo istočasno s primarno strukturo in so del stavbe, zato jih mora natančen BIM model vsebovati.

24 Nanotehnologija v gradbeništvu - nanogradnja Stran Proces nanogradnje 1. Najprej je potrebno s pomočjo računalnikov izdelati natančen BIM model, ki mora vsebovati vse potrebne inštalacije in prevleke, prav tako pa tudi začasna polnila, ki v času gradnje sluţijo kot podporne konstrukcije. Slika 3.1: Natančen BIM model (autodesk.com) 2. Nato je potrebno izkopati gradbeno jamo ter vse potrebne izkope Slika 3.2: Gradbena jama (arhivo.com)

25 Nanotehnologija v gradbeništvu - nanogradnja Stran Sledi pravilno nameščanje projektorja nad območje, na katerem se bo gradilo Slika 3.3: Pravilno nameščen in delujoč projektor 4. Pripraviti in nanesti je potrebno nanorobote na območje, kjer bo potekala gradnja Slika 3.4: Nanašanje nanorobotov (plasticmag.com)

26 Nanotehnologija v gradbeništvu - nanogradnja Stran Potrebno je zagnati proces gradnje tako, da nanoroboti nenehno prejemajo navodila (s pomočjo svetlobe različnih valovnih dolţin), da lahko izdelujejo 3D CNT cevke z zahtevanimi lastnostmi, dokler ne zgradijo objekta do konca. V nadaljevanju si bomo ogledali slikovni prikaz procesa nanogradnje, od 1. dne, pa vse do njenega zaključka. Za vsak časovni presek sta prikazani dve sliki. Če piha veter s hitrostjo 1 m/s, je izračunana hitrost grajenja pribliţno 10 cm višine na dan, neodvisno od tlorisne površine. Na sliki 3.5 in 3.6 je prikazan napredek po prvem dnevu zagnanega procesa. Lepo je vidno natančno projiciranje BIM modela na gradbeno površino. Zgradba sega v višino 10 cm. Napredek po sedmih dneh prikazujeta sliki 3.7 in 3.8. Po nekaj manj kot mesecu dni, je pritlično nadstropje ţe končano, kar lahko vidimo na slikah 3.9 in Po dveh mesecih, je zgrajeno tudi prvo nadstropje, kar prikazuje slika Nanoroboti gradijo po detajlnem digitalnem modelu, ki vsebuje vse potrebne inštalacije. Na sliki 3.12 je prikazana inštalacija za ogrevanje. Vidne so cevi in radiatorji. Sliki 3.13 in 3.14 prikazujeta stanje po dveh mesecih in pol. Po treh mesecih je zgradba dokončana. Na sliki 3.15 nanoroboti končujejo svoje delo, slika 3.16 pa prikazuje končan objekt z ţe odstranjenim projektorjem.

27 Nanotehnologija v gradbeništvu - nanogradnja Stran 18 Slika 3.5: Po prvem dnevu gradnje Slika 3.6: Po prvem dnevu doseţe zgradba višino 10 cm, neodvisno od njene tlorisne površine

28 Nanotehnologija v gradbeništvu - nanogradnja Stran 19 Slika 3.7: Po sedmih dneh je doseţena višina 70 cm Slika 3.8: Po sedmih dneh od zagona procesa

29 Nanotehnologija v gradbeništvu - nanogradnja Stran 20 Slika 3.9: Gradnja poteka ţe mesec dni Slika 3.10: Po mesecu dni, je prvo nadstropje zgrajeno

30 Nanotehnologija v gradbeništvu - nanogradnja Stran 21 Slika 3.11: Po dveh mesecih Slika 3.12: Hkrati z zgradbo se gradijo tudi vse potrebne inštalacije

31 Nanotehnologija v gradbeništvu - nanogradnja Stran 22 Slika 3.13: Po dveh mesecih in pol Slika 3.14: Zgrajeno je ţe stavbno pohištvo in inštalacije

32 Nanotehnologija v gradbeništvu - nanogradnja Stran 23 Slika 3.15: Po treh mesecih je zgradba dokončana Slika 3.16: Končni izgled objekta 6. Ko nanoroboti od projektorja določen čas ne dobijo nobenega ukaza, se trajno izklopijo. To prepreči vsakršne nezaţelene aktivnosti nanorobotov, po koncu gradnje.

33 Nanotehnologija v gradbeništvu - nanogradnja Stran Gradbeni material Ena od temeljnih zahtev tega koncepta je, da se kot gradbeni material uporabljajo ogljikove nanocevke. Kot sem opisal ţe v prejšnjih poglavjih, smo ţe uspeli izdelati ogljikove nanocevke zelo različnih lastnosti. Da bi lahko nanogradnja dobila aplikativno obliko, so zahtevane naslednje lastnosti ogljikovih nanocevk: 1. Zadostna nosilnost (za prevzemanje bremen) 2. Prevodnost (za električno energijo in komunikacijske naprave) 3. Odpornost na kemikalije 4. Različne barve materiala 5. Transparentnost (predvsem za stavbno pohištvo) 6. Samorazgradnja (za razgradnjo podpornih struktur) Ogljikove nanocevke imajo lahko številne lastnosti zaradi katerih pravzaprav tvorijo idealen gradbeni material. Imajo zelo visoko razmerje med trdnostjo in teţo, so stabilne in odporne na široko temperaturno območje. Z majhnimi spremembami v geometrijski nanostrukturi materiala, lahko doseţemo različne stopnje prevodnosti. Svojevrsten izziv pa predstavlja najti idealno geometrijsko strukturo nanocevk, ki bi tvorile metrski material za gradnjo vseh potrebnih elementov posameznega objekta, hkrati pa bi ohranile svoje prej omenjene pozitivne lastnosti. Ena izmed obetajočih konfiguracij nanocevk lahko najdemo v Schwarzite strukturah, ki so tako poimenovane v čast matematiku H.A. Schwarzu, ki je prvi raziskal podobne triperiodične majhne površine. Strukture Schwarzite spadajo v razred fulerenov, ki predstavljajo negativno Gausovo krivuljo. Izdelajo jih tako, da heptagonalne in oktagonalne obroče vstavijo v grafitno mreţo (ki jo normalno sestavljajo le heksagonalni obroči). Prav te deformacije rešetke so tiste, ki proizvajajo negativno ukrivljenost, ki je nujna za nastanek strukture z dimenzijami v treh prostorih (3D). Nasprotno pa sferični fulereni, kot je na primer C 60, vsebujejo pentagonalne obroče, ki povzročajo pozitivno ukrivljenost in posledično zaprto strukturo.

34 Nanotehnologija v gradbeništvu - nanogradnja Stran 25 Prostorske simetrije struktur Schwarzite izpolnjujejo vse potrebne zahteve, ki jih mora imeti material v metrskem merilu v treh dimenzijah. Poleg tega so te strukture toge in lahko delujejo kot prevodniki ali kot izolatorji (odvisno od topologije). Slika 3.17 nam kaţe eno od moţnih konfiguracij nanocevk, ki se uporabljajo kot nanometrski gradniki. Spoj cevi predstavljajo Schwarzite strukture, ki so povezane z enoplastnimi ogljikovimi nanocevkami podobnih premerov. Slika 3.17: Moţna konfiguracija nanocevk

35 Nanotehnologija v gradbeništvu - nanogradnja Stran Energetske zahteve Da bi dobili grobo primerjavo z tradicionalno gradnjo, je potrebno oceniti notranjo energijo obeh pristopov. M. Suzuki T. Oka je, z ozirom na tradicionalne stavbe, naredil osnovno sektorsko klasifikacijo vhodno/izhodne analize, in s tem količinsko opredelil skupno porabo energije in CO 2 emisij, vključno z posrednimi in neposrednimi učinki zaradi gradnje različnih tipov objektov. Določil je, da je za gradnjo več druţinske armirano betonske hiše poraba energije 8-10 GJ/m 2 talnih površin. Za enodruţinsko hišo iz lesa, je poraba energije 3 GJ/m 2 in 4.5 GJ/m 2 za enodruţinsko hišo, ki je iz lahke jeklene konstrukcije. Emisije CO 2, ki nastanejo pri gradnji so za armiranobetonsko 850 kg/m 2, leseno 250 kg/m 2 in 400 kg/m 2 za hišo jeklene konstrukcije. Potrebna energija za pridobitev ogljika iz ozračja, ki zadostuje za izgradnjo 1 m 3 Schwarzite materiala, znaša 129 GJ. To velja za maksimalno moţno gostoto materiala s Schwarzite strukturo. Zahteva po potrebi energije pa lahko tudi pade in sicer z zmanjšanjem gostote gradbenega materiala, ter tako znaša 3,6 GJ za strukturo, ki je prikazana na sliki Za primerjavo s potrebno energijo, ki je porabljena pri klasični gradnji stavb, moramo oceniti razmerje med tlorisno površino stavbe in volumnom materiala, ki ga vanjo vgradimo. Pri tradicionalnih stavbah je to razmerje med 1 in 2, medtem ko lahko za CNT konstrukcijo to razmerje ocenimo na vsaj okoli 3, saj je njena nosilnost veliko večja. V tem primeru, je poraba energije za kvadratni meter stavbe narejene iz 3D CNT večplastnega materiala (ki ga prikazuje slika 3.17) okoli 1 GJ. Za primerjavo, obseţna rast bambusa porabi pribliţno 1 GJ energije, ki jo pridobi iz sončne svetlobe, za proizvodnjo kubičnega metra celuloze (grob izračun je bil narejen ob upoštevanju povprečne sončne energije na m 2, učinkovitosti energetske rabe rastlin, ocenjeni površini listov in volumski rasti bambusa). Zato se v večini primerov zdi, da je izvedljivo, z vidika energijske dostopnosti, uporabiti vire energije, ki so lokalno dostopni.

36 Nanotehnologija v gradbeništvu - nanogradnja Stran Bionanoroboti V uvodnih poglavjih sem nekaj osnovnih informacij o nanorobotih ţe zapisal, tokrat pa nekoliko več podrobnosti v povezavi z samo nanogradnjo. Za zunanjo kontrolo nanogradnje morajo nanoroboti imeti naslednje sposobnosti: 1. Prepoznati različne valovne dolţine, ter jih prevesti v navodila 2. Pretvoriti svetlobno energijo v delovno energijo 3. Izvleči molekule ogljikovega dioksida iz zraka in jih razgraditi v ogljik ter kisik 4. Zgraditi 3D CNT strukture z uporabo molekul ogljika Pri gradnji klasičnih objektov, ob katerih uporabljamo naravne biološke vire (les,bambus,slama), je prva faza nabiranje energije in materialov proizvedenih v procesu fotosinteze. Pri fotosintezi rastline kemično veţejo ogljikov dioksid in vodo, da proizvedejo sladkorje. Sladkorji predstavljajo: vir gradnikov za druge ogljikove hidrate, kot sta škrob in celuloza. Ogljik predstavlja glavni vir (v kombinaciji z drugimi minerali) za izdelavo velikega števila molekul v razponu od preproste molekule (npr. mravljične kisline) do večveriţnih proteinov. Prav tako ogljik predstavlja tudi vir kemične energije za pogon vseh teh procesov. V naslednji fazi sledi predelava gradbenih materialov (npr. les nareţejo na drva) in transport na območje gradnje. V tretji fazi delavci in stroji porabijo gradbeni material in zgradijo objekt, po navodilih, ki so v obliki konstrukcijskih načrtov. Trenutno še ne obstaja bionanotehnologija, pri kateri bi bionanoroboti samodejno gradili osnovne gradnike v zgradbo metrskih razseţnosti, vendar so raziskave na področju sintetične biologije in biotehnologije obetajoče. Najprej je torej potrebno zagotoviti zadostne količine gradbenih materialov ter energije za potek celotnega procesa. V naravi je fotosinteza predstavlja glavni vir organskih materialov, ki se uporabljajo za gradbeni material organizmov ter za shranjevanje energije. Organizmi uporabljajo snovi, ki se nahajajo na lokaciji, kjer ţivijo. Strokovnjaki so tako torej najprej pomislili na iskanje zadostnih količin gradbenih materialov in energije za potek gradnje v naravi pri rastlinah in bakterijah. Takoj so se srečali s problemom, da lahko s fotosintezo uporabimo manj kot 10% energije ki je na voljo, hkrati pa je le ta odvisna od količine svetlobe, vremenskih pogojev, količino sence Zato so začele

37 Nanotehnologija v gradbeništvu - nanogradnja Stran 28 različne raziskovalne skupine strokovnjakov delati na razvoju umetne fotosinteze, s poglavitnim namenom izboljšanja izkoristka energije in hranjenje svetlobne energije v nekaj bolj ustreznega, kar bi lahko uporabljali kot gorivo. Vse to bi veliko pripomoglo k uresničitvi nanogradnje. Ko so znanstveniki ugotovili, da je DNK na kemičnem nivoju identična pri praktično vseh organizmih in da si vsi organizmi (z nekaj izjemami) delijo enako genetsko kodo, je bil preostali del samo stvar tehnologije, kako spremeniti genetsko zasnovo enega organizma oziroma, kako izrezati genetsko zasnovo iz enega organizma, ga vstaviti v drugega, ter s tem proizvesti nekaj novega in uporabnega. Mnogo takšnih organizmov je ţe v uporabi, ali pa so predvideni za uporabo. Na tak način, bo lahko sposobnost celic za gradnjo mikrocevk uporabljena za sestavljanje CNT. Po drugi strani, pa so celice ţe same po sebi zmoţne proizvajati celulozo. Iz tega sledi, da bi lahko bil vmesni gradbeni (podporni) material, ki bi ga proizvedli bionanoroboti med nanogradnjo, prav celuloza. Naslednji problem na katerega naletimo, je kontroliranje bionanorobotov pri sestavljanju posameznih gradnikov in posledično pri grajenju celotnega objekta. Pri ţivih organizmih osnovne principe delovanja kontroliranje rasti precej dobro poznamo. Veliko zunanjih in notranjih mehanizmov sodeluje pri nastajanju celotnega organizma, iz stadija ene celice (oplojeno jajčece), do večceličnega organizma, ki je zgrajen sicer iz genetsko enakih vendar precej različnih tipov celic. Znanstvenikom je v bionanotehnologiji uspelo bakterijo spremeniti tako, da je reagirala na svetlobo. Oblikovali so tako imenovan E. Coli bakterijski sistem, ki različno reagira glede na rdečo svetlobo. S tem so dosegli, da nanorobot ţe prepozna ukaze in jih prav tako uboga. To dokazuje, da je znanost na dobri poti, do stopnje, ko bomo nanorobotom lahko dajali ukaze s pomočjo svetlobe različnih valovnih dolţin.

38 Nanotehnologija v gradbeništvu - nanogradnja Stran Vir surovin in hitrost gradnje Kot sem ţe omenil, je ogljik glavna surovina za proizvodnjo ogljikovih nanocevk, ki ga nanoroboti zajamejo kot molekule CO 2 iz ozračja, nato pa iz molekul izločijo ogljik, kisik pa spustijo nazaj v ozračje. Prvo vprašanje, ki so si ga strokovnjaki zastavili je bilo: Ali je moţno pridobiti iz ozračja dovolj ogljika, da bi ta proces potekal nemoteno, dovolj hitro ter bil končan v nekem spodobnem času? Izračuni so pokazali, da s tem ne bi smelo biti teţav (tudi drevesa za svojo rast uporabljajo enak proces). Povprečna količina ogljikovega dioksida (CO 2 ) v zraku je 0, kg/m 3 ali pribliţno 1 g/m 3. Količina ogljika je torej 0, kg/m 3 oziroma 0,2 g/m 3. Glede na gostoto ogljikovih nanocevk, ki je pribliţno 1400 kg/m 3, potrebujemo za 1 m 3 ogljikovih nanocevk 6, m 3 zraka. Ta količina se zdi neverjetno velika, vendar vseeno, z vetrom, ki piha s hitrostjo 1 m/s, je potrebna količina ogljika za 1 m visoko strukturo zagotovljena v 78 dneh. Z višjo hitrostjo vetra se ta proces linearno pospešuje. Ker pa je gostota 3D strukture ogljikovih nanocevk veliko niţja, npr. struktura Schwarzite (na sliki 3.17) ima gostoto 182 kg/m 3, se proces gradnje zelo pospeši. Za 1 m 3 takšnega nanomateriala je potrebnega 8, m 3 zraka, da zagotovi zadostno količino ogljika, ali drugače, s hitrostjo vetra 1 m/s je za proces gradnje 1 m 3 velike kocke iz 3D ogljikovih nanocevk s Schwarzite geometrijsko strukturo potrebnih le 10 dni. Gradnja objekta s hitrostjo 10 cm višine na dan, je več kot sprejemljiva, saj je neodvisna od tlorisne površine. S hitrostjo vetra 2 m/s, bi tako lahko zgradili dvonadstropno hišo v dveh mesecih. Če ob tem pomislimo še na to, da ob gradnji ne bo negativnih vplivov na okolje, bi to bil izvrsten doseţek. Ker so molekule CO 2 teţje od drugih plinov, ki sestavljajo zrak, navadno padajo na zemeljsko površje. S tem se zagotovi neomejen vir molekul, tako, da lahko bionanoroboti svojo primarno funkcijo, proizvodnjo ogljikovih nanocevk opravljajo nemoteno.

39 Nanotehnologija v gradbeništvu - nanogradnja Stran Building information model (BIM) Pri nanogradnji je v celotnem gradbenem procesu poglavitna vloga ta, da se sestavi zelo natančen digitalni model objekta (BIM). Današnja BIM tehnologija je ţe razvita do te mere, da lahko izdelamo dovolj natančen digitalni model, ki odgovarja večino zahtevam nanogradnje. Obstaja pa še nekaj točk, ki bi morale biti izpolnjene, da bi lahko izdelali popoln digitalni model, vendar je vse te zahteve ţe z majhnimi posegi v programsko opremo moţno izpolniti: 1. Vsi arhitekturni elementi se gradijo hkrati in so zdruţeni v homogeno celoto (ni potrebno ločevati sten od plošč, armature ). 2. Vse inštalacije morajo biti projektirane detajlno, skupaj z vsemi arhitekturnimi elementi. Tako postanejo inštalacije trdne snovi, s specifičnimi lastnostmi (prevodnost, prosojnost, izolacija ) 3. Začasne podporne materiale je potrebno zapolniti v vseh delih stavbe, kjer del strukture obstaja na višjem vertikalnem nivoju (sobe, pipe, kljuke ) Z obstoječimi orodji za BIM modeliranje ţe lahko oblikujemo digitalni modela stavbe, ki zajema vse arhitekturne elemente: električno napeljavo, vodovod, ogrevalni sistem, prezračevalni sistem, ter vse ostale poljubne inštalacijske sisteme, tako da radikalnih sprememb na tem področju ne bo potrebno opraviti. Tudi natančnost orodij za projektiranje, ki jih poznamo danes, je povsem zadovoljiva. Pri projektiranju N2M objekta, obstajajo celo določene prednosti napram projektiranju klasičnih objektov. Optimizacija za zmanjšanje dimenzij nosilcev in podpornih sten ni več potrebna, saj le to ne vpliva na stroške gradnje. Prav tako pa bistveno ne vpliva na samo maso celotne zgradbe, saj so CNT strukture zelo lahke. Ko imamo dokončan BIM model, ga je potrebno pripraviti do takšnega nivoja, da je primeren za realizacijo. Vse BIM strukture imajo določeno geometrijo (npr. vodovodne cevi in električna napeljava znotraj zidov) morajo biti najprej zdruţene v osnovnem geometrijskem modelu. Nato je potrebno vsakemu zaprtemu prostoru dodati CNT informacije materiala, glede na njegovo funkcijo (nosilnost, električna prevodnost, barva).

40 Nanotehnologija v gradbeništvu - nanogradnja Stran 31 Vsi prazni prostori pod katerimkoli delom trdnega končnega modela, morajo biti zapolnjeni z začasnim pomoţnim materialom. Na koncu celotnega procesa projektiranja nanogradnje, je potrebno BIM model naloţiti v projektor, ki neprestano projicira horizontalne prereze na ţeleno območje gradnje. 3.8 Potrebna oprema za nanogradnjo Oprema, ki jo potrebujemo za pošiljanje informacij nanorobotom sestoji iz svetlobnega projektorja, ki mora imeti zanesljivo oskrbo električne energije. Za doseganje ţelene natančnosti gradnje, mora biti projektor postavljen čim bolj stabilno. Razne manjše tresljaje bi bilo moč izničiti s programsko opremo in senzorji, ki bi zaznali premike projektorja. Projektor mora imeti vgrajen računalnik, ki uravnava svetlobni projektor in posledično celoten proces gradnje. Ostala oprema za samo gradnjo ni potrebna. Slika 3.18: Projektor

41 Nanotehnologija v gradbeništvu - nanogradnja Stran 32 4 PREDVIDENI STROŠKI NANOGRADNJE Temeljna zahteva nanogradnje je občutno zniţanje porabe energije, potrebne za samo gradnjo, kar pa posledično pomeni znatno zniţanje stroškov. Danes porabimo za gradnjo objektov enormne količine energije. Vse se začne s pridobivanjem surovin iz narave. Delovni stroji porabljajo veliko energije, hkrati pa vplivajo na onesnaţenost okolja. Ko smo surovino pridobili iz okolja, jo je potrebno predelati oziroma obdelati. Tudi predelava in obdelava surovin zahteva svoj deleţ vloţene energije. Znatni del doprinesejo prav tako vsi transporti in skladiščenja. Ţe do faze, ko imamo proizveden gradbeni material, ki ga je moţno uporabiti pri klasični gradnji, se nabere velika količina stroškov. Na vrsti je transport gradbenega materiala na samo gradbišče. Za vgrajevanje je potrebna delovna sila in ponovno razni delovni stroji. Iz tega lahko razumemo, zakaj pomeni gradnja ustrezne strehe nad glavo večini svetovnega prebivalstva največjo investicijo v njihovem ţivljenju. Ţal je ta investicija navadno tako velika, da je mnogi ne zmorejo, čemur priča ţe v uvodu omenjen podatek, da si več kot četrtina prebivalstva ne more privoščiti ustreznega domovanja. Ljudje si poskušajo na veliko načinov zniţati same stroške gradnje, da bi si lahko privoščili domovanje, ţal pa to navadno pomeni vgrajevanje manj kvalitetnega materiala pri gradnji objektov, kar ima dolgoročne negativne posledice. Poraba energije v samem objektu je tako precej višja, kot bi bila z vgrajevanjem primernih materialov, zato je nekvalitetna gradnja dolgoročno draţja veliko draţja. Tako velika večina ljudi vlaga večji del svojih prihodkov, najprej v gradnjo svojega doma, kasneje pa za pokrivanje vseh stroškov, ki nastajajo bodisi z vzdrţevanjem objekta, bodisi z njegovim obratovanjem. Prava rešitev za zmanjševanje investicij torej ni v vgrajevanju nekvalitetnih materialov. Prava rešitev so nove tehnologije, ki bodo stroške same gradnje minimalizirale in ena izmed rešitev bi lahko bila nanogradnja. Stroški nanogradnje so vezani izključno na ceno projektorja, ter ceno nanorobotov. Ne enega, ne drugega ta hip ţal ni moţno niti pribliţno oceniti. Sprva bo verjetno cena precej

42 Nanotehnologija v gradbeništvu - nanogradnja Stran 33 visoka, vendar se bo zagotovo s časom izredno zniţala, kot je navada za vse nove tehnologije. Ko bo tehnologija zrela za vsakdanjo rabo, se bo večji del cene nanašal na modeliranje, torej izdelavo BIM modela in nakup zemljišča. Napram klasični gradnji, odpadejo vsi stroški proizvodnje materialov in večji del stroškov transporta. Odpadejo tudi stroški vseh uporabljenih strojev ter delovne sile. Gre za gradnjo, ki je popolnoma avtomatizirana, zato ne bi smela biti draga. Nanogradnja, bi tako morala biti dostopna vsem.

43 Nanotehnologija v gradbeništvu - nanogradnja Stran 34 5 VPLIVI NA OKOLJE Prav pri vsaki gradnji objekta, se zastavlja vprašanje njegovega vpliva na okolje. Kakšne posledice bo utrpelo okolje v času same gradnje, kakšne v času eksploatacije objekta, ter kakšne po njegovi ţivljenjski dobi. Gradbeništvo ima velik vpliv na okolje, ki sega od izkoriščanja naravnih virov, proizvodnje in prevoza materialov na gradbišče, gradnje in rušenja. Zmeraj se sprašujemo koliko gradbenih odpadkov bo nastalo in kaj bomo z njimi storili. Značilno je, da pri gradbenih delih nastaja velika količina odpadkov. Iz tega razloga je zato za pridobitev gradbenega dovoljenja za večje objekte potrebno izdelati načrt gospodarjenja z gradbenimi odpadki. Poseben problem pri gradbenih odpadkih je, da je prostora za odlaganje oziroma deponiranje vedno manj, zato ljudje razmišljamo, ali obstaja kakšna rešitev za teţave s katerimi se srečujemo. Sprašujemo se, ali lahko razvijemo tehnologijo grajenja, ki ne bo imela negativnih vplivov na okolje, temveč kvečjemu pozitivne? Čeprav se je do nedavnega zdelo, da problema gradbenih odpadkov nikakor ne bomo rešili, se je na nano nivoju, kot na dlani ponudila rešitev. Vodilna misel in hkrati zahteva pri nanogradnji je, zmanjšanje količine odpadkov in porabe energije pri gradnji ter proizvodnji gradbenega materiala. Temeljna zahteva, iz katere izhaja ta koncept je torej, zmanjševanje negativnih vplivov na okolje. Čeprav se zdi neverjetno, smo ljudje zelo blizu točki, ko bo gradnja imela na okolje le še velik pozitivni vpliv. Kot je podrobneje opisano v prejšnjem poglavju, bo pri nanogradnji osnovna surovina ogljik, ki ga bodo nanoroboti pridobivali z razkrojem onesnaţenega zraka, ki vsebuje ogljikov dioksid. Z vsakim zgrajenim centimetrom objekta, bomo prečistili del našega ozračja, po končani eksploataciji objekta pa se bodo ogljikovi atomi ponovno vezali s kisikom, s tem pa se bo zgradba preprosto razgradila, tako da gradbenih odpadkov v»klasični«obliki kot jih poznamo danes, več ne bo.

44 Nanotehnologija v gradbeništvu - nanogradnja Stran 35 6 DISKUSIJA V diplomskem delu sem predstavil koncept nanogradnje. Čeprav se morda v tem trenutku zdi koncept precej futurističen, je povsem mogoče, da bo nanotehnologija bistveno spremenila sedaj poznane načine gradnje. Vlade večine razvitih drţav po svetu vlagajo veliko denarja v razvoj nanotehnologij. Iz leta v leto se vloţki zvišujejo, strokovnjaki pa prihajajo do novih spoznanj in moţnosti. Če bi nekdo pred dvajsetimi leti omenil, da bomo leta 2011 ljudje hodili naokrog z majhnimi zmogljivimi mobilnimi napravami, ki bodo imele moţnosti dostopa do svetovnega spleta, bile zmogljivejše kot so bile takrat zmogljivosti vseh obstoječih računalnikov na svetu, se bi ljudem to zdelo smešno. In vendar smo v letu 2011, vsak od nas ima mobilni telefon, z vrhunskimi zmogljivostmi in skoraj neomejenimi zmoţnostmi. Sam gledam pozitivno na prihodnost in se veselim velikih izzivov, ki nas čakajo v prihodnosti. Nanogradnja? Seveda, aplikativno obliko bo dobila še preden se bomo dodobra zavedali situacije. Ţe danes imamo po mojem mnenju dovolj dobro programsko opremo, za izdelavo BIM modela na zahtevanem nivoju. Morda bi bilo potrebno le nekaj modifikacij v smislu prilagoditve samega programskega okolja, ki bo imelo osnovni namen izdelavo BIM modela za nanogradnjo. Za nanogradnjo je izjemno pomemben člen projektor. Postavljen mora biti dovolj stabilno in imeti visoko resolucijo projiciranja, da bi lahko zagotovili dovolj natančne informacije, potrebne za delo nanorobotov. Ker ţivimo v času, ko je tehnologija razvita ţe na visokem nivoju, stabilizacija projektorja ne predstavlja nobene teţave. Na trgu ţe obstajajo senzorji različnih vrst, ki dovolj hitro zaznavajo premike in tresljaje, ter informacijo v trenutku pošljejo centralni enoti, ki nadzira delovanje sistema. To informacijo bi centralna enota obdelala in ob morebitnih tresljajih zagotovila nemoteno projiciranje na gradbeno površino. Tudi izdelava dovolj močnega in primernega projektorja, ki bi projiciral na gradbeno površino ţarke ustreznih valovnih dolţin v visoki resoluciji, ne bi smela predstavljati bistvenega problema.