Bê tông 'biết thở', giảm 60% vật liệu: Bí mật đằng sau cây cầu hấp thụ CO₂ đầu tiên trên thế giới

Nguyên mẫu cầu dài 10 mét của Diamanti hiện đang được trưng bày ở Venice. Ảnh: CNN.

Bê tông – vật liệu nhân tạo được sử dụng nhiều nhất trên thế giới – vốn nổi tiếng nhờ độ bền, khả năng chịu tải và giá thành rẻ. Nhưng cái giá phải trả cho môi trường lại cực kỳ lớn: bê tông chiếm tới 8% tổng lượng khí thải nhà kính toàn cầu.

Trong nhiều năm qua, ngành công nghiệp xi măng và bê tông đã nỗ lực giảm thiểu tác động môi trường bằng các loại hỗn hợp bê tông “xanh” và thiết kế hiệu quả hơn. Giờ đây, một nhóm nghiên cứu tại Đại học Pennsylvania (Mỹ) đã kết hợp cả hai hướng tiếp cận này – vật liệu mới và thiết kế tiết kiệm vật liệu – mà vẫn giữ nguyên độ bền và độ cứng.

Dự án mang tên Diamanti lấy cảm hứng từ tự nhiên, sử dụng máy in 3D robot để tạo ra các cấu trúc dạng mạng lưới phức tạp bằng hỗn hợp bê tông bền vững.

Theo nhóm nghiên cứu, trong khi bê tông thông thường có thể hấp thụ tối đa 30% lượng CO₂ phát thải trong suốt vòng đời của nó, thì hỗn hợp bê tông cải tiến Diamanti hấp thụ nhiều hơn 142% so với bê tông thường.

Thiết kế đầu tiên của dự án — một cây cầu đi bộ — sử dụng ít hơn 60% vật liệu so với kết cấu bê tông thông thường nhưng vẫn duy trì độ bền cơ học, theo ông Masoud Akbarzadeh, phó giáo sư kiến trúc tại Đại học Pennsylvania và là giám đốc phòng thí nghiệm đứng sau dự án.

Từ trái sang phải: Một đoạn cầu được in trong phòng thí nghiệm; bản vẽ máy tính của cùng một khối cầu; bản vẽ máy tính của các đường dẫn chịu lực của khối cầu.

“Qua hàng triệu năm tiến hóa, tự nhiên đã chứng minh rằng không cần vật liệu ở mọi nơi”, ông Akbarzadeh nói. “Nếu bạn cắt ngang một khúc xương, bạn sẽ thấy nó có cấu trúc rỗng xốp, nhưng trong đó vẫn có những đường truyền lực rất cụ thể”.

Bằng cách mô phỏng cấu trúc xốp của xương – được gọi là cấu trúc bề mặt tối thiểu ba chiều (TPMS) – Diamanti tăng diện tích bề mặt của bê tông, giúp khả năng hấp thụ CO₂ tăng thêm 30% nữa.

“Diện tích bề mặt kết hợp với tính chất vật liệu này cho phép phản ứng với carbon ở cấp độ vi mô hiệu quả hơn rất nhiều”, ông Akbarzadeh giải thích. “Điều đó góp phần đáng kể vào việc giảm và hấp thụ khí CO₂”.

Ra mắt vào năm 2022, dự án được triển khai với công ty hóa chất Thụy Sĩ Sika và nguồn tài trợ từ Bộ Năng lượng Mỹ. Hiện nhóm nghiên cứu đang chuẩn bị xây dựng nguyên mẫu cầu quy mô thật đầu tiên tại Pháp.

Cuộc cách mạng trong ngành bê tông

Theo ông Andrew Minson, giám đốc Hiệp hội Xi măng và Bê tông Toàn cầu, sức mạnh, độ bền và khả năng chống cháy của bê tông là lý do khiến vật liệu này được sử dụng rộng khắp thế giới.

Ngành xi măng đã nỗ lực đáng kể để cải thiện tính bền vững, giảm 25% lượng khí thải CO₂ trên mỗi tấn xi măng từ năm 1990 đến 2023. Tuy nhiên, do nhu cầu toàn cầu tăng mạnh, tổng lượng phát thải của ngành vẫn cao hơn so với năm 2015, theo Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA).

Bản vẽ kỹ thuật số này cho thấy mặt dưới của cây cầu, với những đường viền lượn sóng. Ảnh: CNN.

Khoảng 90% lượng khí thải của bê tông đến từ xi măng, theo ông Du Hongjian, giảng viên kỹ thuật dân dụng cao cấp tại Đại học Quốc gia Singapore (không tham gia dự án Diamanti).

Xi măng – thành phần kết dính của bê tông – được sản xuất bằng quy trình tiêu tốn năng lượng, đốt đá vôi ở nhiệt độ tới 2.000°C, khiến carbon bị giải phóng. Ngoài ra, đá vôi (canxi cacbonat) khi bị nung cũng phát thải CO₂, chiếm phần lớn lượng khí thải trong quá trình sản xuất xi măng.

Một số công ty trên thế giới đang thử nghiệm thay thế một phần xi măng bằng vật liệu khác để giảm phát thải. Ví dụ: CO₂-SUICOM (Nhật Bản) tuyên bố hỗn hợp bê tông của họ có khả năng hấp thụ carbon âm, trong khi Seratech (Anh) bổ sung khoáng chất olivin hấp thụ CO₂ vào xi măng để tăng tính bền vững.

Trong dự án Diamanti, TS. Shu Yang từ Khoa Khoa học Vật liệu Đại học Pennsylvania đã phát triển hỗn hợp bê tông sử dụng “đất tảo cát” (diatomaceous earth – DE), một vật liệu xốp giàu silica được tạo thành từ tảo hóa thạch, để thay thế một phần xi măng.

Ảnh đồ họa về cầu Diamanti nếu được xây trong thế giới thực. Ảnh: CNN.

“Khoáng chất sinh học này tạo ra các ‘kênh’ trong bê tông, cho phép CO₂ thấm sâu vào bên trong”, ông Du Hongjian giải thích.

Tuy nhiên, sản lượng đất tảo cát toàn cầu năm 2023 chỉ đạt khoảng 2,6 triệu tấn, nên để mở rộng ứng dụng, chuỗi cung ứng cần được xem xét kỹ lưỡng, ông nói thêm.

Ông Minson đồng tình rằng nguồn cung là một thách thức, nhưng ở những nơi có sẵn nguyên liệu, đây có thể là “giải pháp ngách đầy tiềm năng”.

“Không có viên đạn bạc nào cho vấn đề này. Chúng ta phải đồng thời thực hiện nhiều hướng đi để giảm nhu cầu vật liệu và lượng carbon”, ông nói.

Một điểm sáng khác của Diamanti là tăng diện tích bề mặt bê tông – giúp phần tiếp xúc với không khí hấp thụ nhiều CO₂ hơn.

“Ngay cả khi không có cải tiến về vật liệu, chỉ riêng việc tăng diện tích bề mặt cũng giúp tăng khả năng hấp thụ CO₂”, ông Hongjian nhấn mạnh.

Từ mô hình đến hiện thực

Cầu Diamanti được thiết kế theo dạng mô-đun và in thành từng khối, được kết nối tại chỗ bằng cáp căng.

Trước khi ứng dụng Diamanti vào thực tế, nhóm nghiên cứu đã tiến hành in 3D mẫu cầu thử nghiệm.

Cây cầu có cấu trúc dạng mô-đun, mỗi khối được in bằng cánh tay robot rồi ghép lại với nhau bằng cáp thép chịu kéo. Theo ông Akbarzadeh, công nghệ in 3D giúp giảm 25% thời gian, vật liệu và năng lượng xây dựng, đồng thời giảm 80% nhu cầu sử dụng thép, loại vật liệu có lượng phát thải lớn.

Ông nói thêm, việc áp dụng kỹ thuật này cùng bê tông Diamanti giúp cắt giảm đáng kể khí nhà kính và chi phí xây dựng tới 25–30%.

Ban đầu, nhóm chế tạo một mô hình cầu dài 5 mét để chứng minh tính khả thi, sau đó mở rộng thành phiên bản 10 mét sử dụng vật liệu do Tập đoàn Sika (Thụy Sĩ) cung cấp để kiểm tra tải trọng, và “vượt qua xuất sắc.”

“Kết quả vượt xa mọi kỳ vọng của chúng tôi”, ông Akbarzadeh nói.

Nguyên mẫu này hiện đang được trưng bày tại Trung tâm Văn hóa Châu Âu ở Venice trong khuôn khổ Triển lãm Kiến trúc Venice Biennale 2025.

Diamanti đã đưa ra một loạt các bản vẽ kỹ thuật số để hình dung cấu trúc cầu trong thế giới thực. Ảnh: CNN.

Nhóm đã công bố kết quả nghiên cứu trên tạp chí Advanced Functional Materials (Wiley) đầu năm nay, ban đầu dự định xây cây cầu thật đầu tiên tại Venice, nhưng sau khi thành phố thay đổi quy định xây dựng, họ chuyển hướng sang các địa điểm khác ở châu Âu.

Ông Akbarzadeh hợp tác với studio thiết kế số Fortes Vision để dựng mô hình ảo cây cầu bắc qua sông Seine ở trung tâm Paris, và vào tháng 9 vừa qua, dự án đã được chính thức cấp phép xây dựng cầu thật tại Pháp, dù địa điểm cụ thể vẫn đang được cân nhắc.

“Chúng tôi rất háo hức được kiểm nghiệm thiết kế này trong môi trường thật”, ông nói. “Từ đó, chúng tôi có thể theo dõi và đánh giá tác động thực tế của nó”.

Ngoài cầu, nhóm cũng đang nghiên cứu các ứng dụng kiến trúc khác như hệ thống sàn bê tông đúc sẵn.

“Đây không phải là giải pháp duy nhất”, ông Akbarzadeh nói, “nhưng Diamanti có thể mở ra một thế giới hoàn toàn mới cho bê tông trong tương lai”.

Theo CNN

Huyền Chi