Grafen:Byggestenen til bæredygtige byer

Innovation i avancerede materialer giver det disruptive potentiale til at transformere den måde, vi bygger vores fremtidige byer på – og gøre dem grønnere og smartere.

Byggeri er forbundet med de såkaldte Foundation Industries - som spænder over cementglasset, keramik, metaller, papir- og bulkkemikalier - som i alt producerer 28 millioner tons materialer om året og tegner sig for op til 10 procent af Storbritanniens samlede CO2 ₂ emissioner.

Hvis vi betragter Climate Change Act (2008) og den britiske regerings opfordring til at reducere kulstofemissionerne til 80 procent under niveauerne, der blev set i 1990 i 2050, så er denne sektor klart et oplagt fokus for en ny tilgang. Innovation i nye materialer vil i høj grad hjælpe byplanlæggere, udviklere og bygherrer til at konstruere en kulstoffri verden fra fundamentet og op.

Reduktion af betonemissioner

En oplagt kandidat er at putte grafen i beton. Ifølge Chatham House, instituttet for internationale anliggender, den globale produktion af cement - "limen", der holder beton sammen - står for svimlende otte procent af verdens CO2 ₂ produktion.

De seneste eksperimenter med grafenforstærket beton har været virkelig lovende. Min kollega Adrian Nixon, redaktøren af ​​Nixene Journal (en uafhængig publikation dedikeret til nyheder om grafen og 2-D materialevidenskab), har foretaget en gennemgang af de forskellige undersøgelser om tilsætning af bittesmå mængder grafen og grafenoxid til beton. Adrians gennemgang afslørede, at tilføjelsen af ​​kun 0,03 procent grafenpulver øgede betonens styrke med et konservativt gennemsnit på 25 procent.

Så, under hensyntagen til cementproduktionens andel af den globale CO ₂ emissioner, det kunne derfor argumenteres, at ved at levere en 25 procents effektivitet til betonproduktion gennem tilsætning af grafen, vi kunne til gengæld se dette løbe gennem forsyningskæden og potentielt levere en reduktion på to procent af verdensomspændende CO ₂ niveauer. Det er et spændende forslag og et, der kunne diskuteres i lang tid - men det væsentlige er dette:ved at tilføje en beskeden mængde grafen til et byggemateriale såsom beton, vi kan forvente en transformerende indvirkning på vores miljø.

Smartere byer

Ideen om at forbedre bæredygtigheden af ​​materialerne til at bygge er klart det sted, hvor vi bør lægge stor opmærksomhed - men et andet meget interessant område, som måske overses, er, hvordan vi kan bruge fordelene ved avancerede materialer til at understøtte fremtidens smarte byer.

Smarte byer ses som en måde at gøre vores bymiljøer meget mere effektive og grønnere på gennem indførelse af digitale teknologier, der kan, for eksempel, bedre integrere og styre vores forsynings- og energisystemer.

Imidlertid, hvad hvis noget af denne teknologi blev indlejret direkte i de materialer, der gik ind i vores bygninger og infrastruktur? Det spændende ved grafen og den bredere familie af 2D-materialer – og de endeløse kombinationer af disse ultratynde lag for at udvikle helt nye 'designermaterialer', som jeg tilsammen kalder 'grafenerne' – er deres ekstraordinære multifunktionelle egenskaber. Sådanne materialer ville være ideelle til at udvikle en ny generation af smart infrastruktur.

Avancerede vejnet

Som et eksempel, Graphene Engineering Innovation Centre, flagskibet avanceret materialeaccelerator baseret på University of Manchester, arbejder i øjeblikket på en række projekter med Highways England, det statslige selskab, der er ansvarlig for en stor del af landets vejnet, og Arcadis, et førende globalt design- og konsulentfirma for naturlige og byggede aktiver.

Vi støtter partnere, herunder Arcadis og Highways England, i at løse udfordringerne omkring byggeri og vejnettet. Et eksempel kan være, når elektriske kredsløb skal anvendes på netværket, sædvanligvis under jorden og gennemførligheden af ​​at udvikle teknologi, der kan indlejres i selve vejstrukturen og lægges samtidig med motorvejen, for eksempel, som en integreret del af strukturen.

Dette er stadig potentielt et hurtigt "gør eller bryde"-projekt og vil kræve en masse nytænkning - men løsningen kunne være inden for bitumen eller en overflademarkør, såsom vejlinjen.

Kunne vejen i sig selv lade din bil op?

Men hvad nu hvis vi kunne have denne multifunktionelle kapacitet brugt på tværs af al den infrastruktur og bygninger, der udgør en by eller by? Det ville transformere tilslutningsmuligheder og gøre selve strukturen i vores byggede miljøer lydhør og intuitiv i forhold til vores daglige behov.

Så, vi kan begynde at forestille os ladepunkter, der er indlejret på tværs af vores vejnet – og hver gang en e-bil stopper ved lyskryds eller hviler på en parkeringsplads, kan den lades op på stedet. Hvis fremtidens køretøjer brugte hybrid energilagring - dvs. et batteridrev med en superkondensator-enhed - så kunne de hurtigt oplades, mens deres chauffører glade kører rundt i byen. Og de batterier og superkondensatorer ville selvfølgelig, indeholder nye materialer, der gør dem i stand til at fungere langt mere effektivt sammenlignet med de energilagringsenheder, vi er tvunget til at bruge i dag.

Lignende fremskridt kunne gøres med sensorteknologi, hvilket vil være afgørende, hvis byer skal opnå de nødvendige tilslutningsniveauer, der er nødvendige for at blive klogere, mere effektiv og i sidste ende grønnere. Grafen og sensorer er en naturlig kombination, fordi grafens store overflade-til-volumen-forhold, unikke optiske egenskaber, fremragende elektrisk ledningsevne og mobilitet og høj varmeledningsevne kan alle i høj grad forbedre funktionaliteten af ​​en række sensorer.

Grafen og avancerede materialer har potentielt en enorm rolle at spille for at gøre vores bygninger og infrastruktur ikke blot væsentligt grønnere, men også beviseligt smartere. Mens vi ser på at imødekomme klimaændringsudfordringen og sigter mod at 'bygge bedre tilbage', Jeg er overbevist om, at vi mere haster med at undersøge, hvordan avancerede materialer kan udgøre byggestenene til en spændende ny fremtid.