NANOTEHNOLOGIJA V GRADBENIŠTVU NANOGRADNJA · Nanotehnologija se danes uporablja ţe na mnogih področjih. Čeprav se je v preteklosti morda zdelo, da se bodo nanotehnologije uporabljale

UNIVERZA V MARIBORU

FAKULTETA ZA GRADBENIŠTVO

EKONOMSKO – POSLOVNA FAKULTETA

Darko Kranjc

NANOTEHNOLOGIJA V GRADBENIŠTVU - NANOGRADNJA

Diplomsko delo

Maribor, september 2011

II

Diplomsko delo univerzitetnega študijskega programa


Študent: Darko KRANJC

Študijski program: univerzitetni

Smer: Gospodarsko inţenirstvo – smer gradbeništvo

Mentor: dr. Danijel REBOLJ, univ.dipl.inţ.gradb.

Mentor: redni prof dr. Duško URŠIČ

Maribor, september 2011

III

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.

V


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 CO2, 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.

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.

VII

VSEBINA

1 UVOD ........................................................................................................................... 1

1.1 OPREDELITEV PROBLEMA ....................................................................................... 2

1.2 NAMEN IN CILJI ....................................................................................................... 2

2 NANOTEHNOLOGIJA .............................................................................................. 3

2.1 SPLOŠNO O NANOTEHNOLOGIJI ............................................................................... 3

2.2 PREDNOSTI NANOMATERIALOV V PRIMERJAVI S TRADICIONALNIMI MATERIALI ..... 5

2.3 NANOTEHNOLOGIJA KOT NOVA TEHNOLOŠKA SMER IN NJEN POMEN ZA

GOSPODARSTVO .................................................................................................................. 6

2.4 UPORABA NANOTEHNOLOGIJE V GRADBENIŠTVU DANES ........................................ 6

2.4.1 Nanokompoziti ................................................................................................... 7

2.4.2 Nanopremazi ...................................................................................................... 7

2.4.3 Uporaba nanopremazov .................................................................................... 8

2.4.4 Samočistilne površine ........................................................................................ 9

2.5 OGLJIKOVE NANOCEVKE ...................................................................................... 11

2.6 NANOROBOTI ........................................................................................................ 11

3 NANOGRADNJA ...................................................................................................... 13

3.1 OPIS KONCEPTA .................................................................................................... 13

3.2 PROCES NANOGRADNJE ........................................................................................ 15

3.3 GRADBENI MATERIAL ........................................................................................... 24

3.4 ENERGETSKE ZAHTEVE ......................................................................................... 26

3.5 BIONANOROBOTI .................................................................................................. 27

3.6 VIR SUROVIN IN HITROST GRADNJE ....................................................................... 29

3.7 BUILDING INFORMATION MODEL (BIM) ............................................................... 30

3.8 POTREBNA OPREMA ZA NANOGRADNJO ................................................................ 31

4 PREDVIDENI STROŠKI NANOGRADNJE ......................................................... 32

5 VPLIVI NA OKOLJE ............................................................................................... 34

6 DISKUSIJA ................................................................................................................ 35

VIII

7 SKLEP ........................................................................................................................ 37

8 VIRI, LITERATURA ................................................................................................ 38

9 PRILOGE ................................................................................................................... 39

9.1 SEZNAM SLIK ........................................................................................................ 39

9.2 NASLOV ŠTUDENTA .............................................................................................. 40

9.3 KRATEK ŢIVLJENJEPIS........................................................................................... 40

IX

UPORABLJENE KRATICE

BIM - Building information model

CNT - Carbon nano tube

CAD - Computer Aided Design

DNK - Deoksiribonukleinska kislina

N2M - Nano- to meter- scale

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 1.072.052 ton gradbenih odpadkov, predelamo in ponovno uporabimo

jih le polovico, kljub temu, da potreba po naravnih mineralnih surovinah narašča.


1.1 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.


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 75.000 nm, debelina lista papirja okoli 100.000 nm,

dolţina valov svetlobe, ki jo zaznavamo s človeškim očesom pa je 400 – 700 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.


Slika 2.1: Prikaz velikosti nanometra (vir: Nanotechnology For Dummies)


2.2 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.


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 2006.

2.4 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.


2.4.1 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.

2.4.2 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.


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.

2.4.3 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


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 8.9.2011)

2.4.4 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


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)


2.5 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 le-

tem 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, 11.9.2011)

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


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, 11.9.2011)


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.


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 CO2, 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 CO2 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 CO2.

6. 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.


3.2 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)


3. 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)


5. 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 3.10.

Po dveh mesecih, je zgrajeno tudi prvo nadstropje, kar prikazuje slika 3.11.

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.


Slika 3.5: Po prvem dnevu gradnje

Slika 3.6: Po prvem dnevu doseţe zgradba višino 10 cm, neodvisno od njene

tlorisne površine


Slika 3.7: Po sedmih dneh je doseţena višina 70 cm

Slika 3.8: Po sedmih dneh od zagona procesa


Slika 3.9: Gradnja poteka ţe mesec dni

Slika 3.10: Po mesecu dni, je prvo nadstropje zgrajeno


Slika 3.11: Po dveh mesecih

Slika 3.12: Hkrati z zgradbo se gradijo tudi vse potrebne inštalacije


Slika 3.13: Po dveh mesecih in pol

Slika 3.14: Zgrajeno je ţe stavbno pohištvo in inštalacije


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.


3.3 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 C60, vsebujejo pentagonalne obroče, ki

povzročajo pozitivno ukrivljenost in posledično zaprto strukturo.


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


3.4 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 CO2 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/m2 talnih površin. Za enodruţinsko hišo iz lesa, je

poraba energije 3 GJ/m2 in 4.5 GJ/m

2 za enodruţinsko hišo, ki je iz lahke jeklene

konstrukcije. Emisije CO2, ki nastanejo pri gradnji so za armiranobetonsko 850 kg/m2,

leseno 250 kg/m2 in 400 kg/m

2 za hišo jeklene konstrukcije.

Potrebna energija za pridobitev ogljika iz ozračja, ki zadostuje za izgradnjo 1 m3

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 3.17. 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 m2, 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.


3.5 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


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.


3.6 Vir surovin in hitrost gradnje

Kot sem ţe omenil, je ogljik glavna surovina za proizvodnjo ogljikovih nanocevk, ki ga

nanoroboti zajamejo kot molekule CO2 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 (CO2) v zraku je 0,00076626 kg/m3 ali pribliţno 1 g/m

3. Količina ogljika je torej

0,0002088 kg/m3 oziroma 0,2 g/m

3. Glede na gostoto ogljikovih nanocevk, ki je pribliţno

1400 kg/m3, potrebujemo za 1 m

3 ogljikovih nanocevk 6,7×10

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/m3, se proces gradnje

zelo pospeši. Za 1 m3 takšnega nanomateriala je potrebnega 8,7×10

5 m

3 zraka, da zagotovi

zadostno količino ogljika, ali drugače, s hitrostjo vetra 1 m/s je za proces gradnje 1 m3

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 CO2 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.


3.7 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).


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


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


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.


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.


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.


Glavna ovira, zaradi katere nanogradnja trenutno še ni mogoča, so bionanoroboti.

Strokovnjaki se iz dneva v dan trudijo izdelati popoln bionanorobot, ki bi mu lahko dajali

energijo za njegovo delovanje, ter mu ukazovali s pomočjo svetlobe. Tudi na tem področju

napredujemo, saj smo ţe oblikovali tako imenovan E. Coli bakterijski sistem, ki reagira

glede na rdečo svetlobo. Da bodo bionanoroboti v celoti ubogali naše ukaze in znali iz

zraka izločiti ogljik ter z njim graditi strukture, ki bodo tvorile nanocevke z zahtevanimi

lastnostmi, bo potrebnih še veliko raziskav. Morda pa nam v prihodnjih letih vendarle uspe

in takrat se bo začela doba nanogradnje.

Ob prebiranju snovi, ki je prišla v poštev za moje diplomsko delo, pa se mi je porodilo

vprašanje o nevarnosti nanomaterialov za naše zdravje. Obstaja veliko namigov, da naj bi

nanomaterial bil človeku škodljiv, podobno kot azbest. Trdnih dokazov o njegovi

škodljivosti človekovemu zdravju še ni, vendar strokovnjaki pospešeno raziskujejo tudi to

področje. Vprašanje ima toliko večji pomen zato, ker se nanomateriali ţe uporabljajo v

vsakodnevnem ţivljenju.


7 SKLEP

Dejstvo je, da se nam uporaba nanotehnologije v vsakdanjem ţivljenju pribliţuje z izjemno

hitrostjo. Ni več daleč do tega, ko bo postala gonilna gospodarska sila, ko se bo zaradi nje

naše ţivljenje izjemno spremenilo. Preprosto lahko odgovorim na v uvodu zastavljena

vprašanja. Rešitev mnogih problemov s katerimi se srečujemo danes je v novih

tehnologijah. Moţnosti, ki se odpirajo z razvojem nanotehnologije so neizmerne. Z njo

bomo kmalu lahko reševali mnoge teţave našega vsakdana. Človekova odvisnost od

fosilnih goriv se bo bistveno zmanjšala. Nanogradnja bo imela na ţivljenje izjemno

pozitiven vpliv. Zmanjšala bo revščino, večini ljudi bo zagotovila primerno domovanje,

prečiščevala bo naše ozračje, gradbeni odpadki pri gradnji novih objektov pa bodo ostali le

še grenak spomin.


8 VIRI, LITERATURA

Boysen, E., Booker, R. 2005, Nanotechnology For Dummies, Wiley Publishing, Inc.

Indianapolis, Indiana

Šarc, B. Agencija Republike Slovenije za okolje, Marec 2008. Gradbeni odpadki.

Dostopno na: http://kazalci.arso.gov.si/?data=indicator&ind_id=72 [21.8.2011]

NM TO M-SCALE BUILDING. Dostopno na: http://www.n2mbuilding.org/ [20.8.2011]

GrowingStructuresGroup. Dostopno na:

http://openwetware.org/wiki/GrowingStructuresGroup [20.8.2011]

Nanotehnologija, Wikipedia. Dostopno na: http://sl.wikipedia.org/wiki/Nanotehnologija

[21.8.2011]

Rebolj, D., Fischer, M., Endy, D., Moore, T., Šorgo, A.: Can we grow building? Concepts

and requirements for automated nano- to meter- scale building. V publikaciji: Advanced

Engineering Informatics. April 2011

Heath, D., Vasić V. 2004, Nanotehnologija – priložnost za industrijo gospodinjskih

aparatov. Dostopno na:

http://www.gorenjegroup.com/si/filelib/gorenje_group/corporate/professional_contritutions

/gib0404_nanotehnologija1.pdf [1.9.2011]

Nano.gov. Dostopno na: http://www.nano.gov/ [2.9.2011]

Nanotehnologija. Dostopno na:

http://www.gimvic.org/projekti/projektno_delo/2008/2a/nanotehnologija/ [11.9.2011]

Nanosvet. Dostopno na: http://www.nanosvet.com/ [19.9.2011]

http://www.n2mbuilding.org/

http://openwetware.org/wiki/GrowingStructuresGroup

http://www.nano.gov/

http://www.gimvic.org/projekti/projektno_delo/2008/2a/nanotehnologija/

http://www.nanosvet.com/


9 PRILOGE

9.1 Seznam slik

Slika 2.1: Prikaz velikosti nanometra .................................................................................... 4

Slika 2.2: Primeri praktične uporabe nanoizdelkov............................................................... 5

Slika 2.3: Prikaz zaščite gradbenega materiala z nanopremazom (vir: nanosvet.com) ....... 10

Slika 2.4: S pomočjo nanopremazov, se grafiti brez teţav odstranijo (vir: nanosvet.com) 10

Slika 3.1: Natančen BIM model (autodesk.com) ................................................................ 15

Slika 3.2: Gradbena jama (arhivo.com) ............................................................................... 15

Slika 3.3: Pravilno nameščen in delujoč projektor .............................................................. 16

Slika 3.4: Nanašanje nanorobotov (plasticmag.com) .......................................................... 16

Slika 3.5: Po prvem dnevu gradnje ...................................................................................... 18

Slika 3.6: Po prvem dnevu doseţe zgradba višino 10 cm, neodvisno od njene tlorisne

površine ....................................................................................................................... 18

Slika 3.7: Po sedmih dneh je doseţena višina 70 cm .......................................................... 19

Slika 3.8: Po sedmih dneh od zagona procesa ..................................................................... 19

Slika 3.9: Gradnja poteka ţe mesec dni ............................................................................... 20

Slika 3.10: Po mesecu dni, je prvo nadstropje zgrajeno ...................................................... 20

Slika 3.11: Po dveh mesecih ................................................................................................ 21

Slika 3.12: Hkrati z zgradbo se gradijo tudi vse potrebne inštalacije .................................. 21

Slika 3.13: Po dveh mesecih in pol ..................................................................................... 22

Slika 3.14: Zgrajeno je ţe stavbno pohištvo in inštalacije .................................................. 22


Slika 3.15: Po treh mesecih je zgradba dokončana ............................................................. 23

Slika 3.16: Končni izgled objekta........................................................................................ 23

Slika 3.17: Moţna konfiguracija nanocevk ......................................................................... 25

Slika 3.18: Projektor ............................................................................................................ 31

9.2 Naslov študenta

Darko Kranjc

Levstikova ulica 13

2000 Maribor

Tel.: (040) 386 899

e-mail: [email protected]

9.3 Kratek življenjepis

Rojen: 28.2.1988 v Mariboru

Šolanje: 1996 – 2003 Osnovna šola Maksa Durjave

2003 – 2007 Druga gimnazija Maribor

2007 – 2011 Fakulteta za gradbeništvo Maribor

mailto:[email protected]

Documents

NANOTEHNOLOGIJA V GRADBENIŠTVU NANOGRADNJA · Nanotehnologija se danes uporablja ţe na mnogih področjih. Čeprav se je v preteklosti morda zdelo, da se bodo nanotehnologije uporabljale