Innovatie in geavanceerde materialen biedt het disruptieve potentieel om de manier waarop we onze toekomstige steden bouwen te transformeren en ze groener en slimmer te maken.

Constructie wordt geassocieerd met de zogenaamde Foundation Industries - die het cementglas overspannen, keramiek, metalen, papier- en bulkchemicaliënsectoren, die in totaal 28 miljoen ton materialen per jaar produceren en tot 10 procent van de totale CO2-uitstoot in het VK vertegenwoordigen ₂ uitstoot.

Als we kijken naar de Climate Change Act (2008) en de oproep van de Britse regering om de CO2-uitstoot tegen 2050 terug te brengen tot 80 procent onder het niveau van 1990, dan is deze sector duidelijk een duidelijk aandachtspunt voor een nieuwe aanpak. Innovatie in nieuwe materialen zal stadsplanners enorm helpen, ontwikkelaars en bouwers om vanaf het begin een koolstofvrije wereld op te bouwen.

Vermindering van betonemissies

Een voor de hand liggende kandidaat is het in beton gieten van grafeen. Volgens Chatham House, het instituut voor internationale zaken, de wereldwijde productie van cement - de 'lijm' die beton bij elkaar houdt - is goed voor maar liefst acht procent van de CO2 in de wereld ₂ productie.

Recente experimenten met met grafeen versterkt beton zijn veelbelovend. Mijn collega Adrian Nixon, de redacteur van het Nixene Journal (een onafhankelijke publicatie gewijd aan grafeen en 2-D materiaalwetenschappelijk nieuws), heeft een overzicht gemaakt van de verschillende onderzoeken naar het toevoegen van kleine hoeveelheden grafeen en grafeenoxide aan beton. Adrian's recensie onthulde dat de toevoeging van slechts 0,03 procent grafeenpoeder de sterkte van beton met een conservatief gemiddelde van 25 procent verhoogde.

Dus, rekening houdend met het aandeel van de cementproductie in de wereldwijde CO ₂ uitstoot, men zou daarom kunnen stellen dat door het leveren van een efficiëntie van 25 procent voor betonproductie door de toevoeging van grafeen, we zouden dit op zijn beurt door de toeleveringsketen kunnen zien lopen en mogelijk een reductie van twee procent van de wereldwijde CO .-uitstoot kunnen opleveren ₂ niveaus. Dat is een opwindende stelling waarover uitgebreid kan worden gedebatteerd, maar het essentiële punt is dit:door een bescheiden hoeveelheid grafeen toe te voegen aan een bouwmateriaal zoals beton, we kunnen een transformationele impact op onze omgeving verwachten.

Slimmere steden

Het idee om de duurzaamheid van de bouwmaterialen te verbeteren is duidelijk waar we veel aandacht aan moeten besteden, maar een ander zeer interessant gebied dat misschien over het hoofd wordt gezien, is hoe we de voordelen van geavanceerde materialen kunnen gebruiken om slimme steden van de toekomst te ondersteunen.

Slimme steden worden gezien als een manier om onze stedelijke omgevingen veel efficiënter en groener te maken door de invoering van digitale technologieën die, bijvoorbeeld, onze nuts- en energiesystemen beter te integreren en te beheren.

Echter, wat als een deel van deze technologie rechtstreeks zou worden ingebed in de materialen die in onze gebouwen en infrastructuur zijn terechtgekomen? Het opwindende aan grafeen en de bredere familie van 2D-materialen - en de eindeloze combinaties van deze ultradunne lagen om gloednieuwe 'designermaterialen' te ontwikkelen die ik samen de 'grafenen' noem - is hun buitengewone multifunctionele vermogen. Dergelijke materialen zouden ideaal zijn om een ​​nieuwe generatie slimme infrastructuur te ontwikkelen.

Geavanceerde wegennetwerken

Als voorbeeld, het Graphene Engineering Innovation Centre, het vlaggenschip geavanceerde materialen versneller gebaseerd op de Universiteit van Manchester, werkt momenteel aan een aantal projecten met Highways England, het overheidsbedrijf dat verantwoordelijk is voor een groot deel van het nationale wegennet, en Arcadis, een toonaangevend wereldwijd ontwerp- en adviesbureau voor natuurlijke en gebouwde activa.

We ondersteunen partners, waaronder Arcadis en Highways England, bij het aanpakken van de uitdagingen rond de bouw en het wegennet. Een voorbeeld kan zijn wanneer elektrische schakelingen moeten worden toegepast op het netwerk, meestal ondergronds en de haalbaarheid van het ontwikkelen van technologie die kan worden ingebed in de wegstructuur zelf en tegelijkertijd met de snelweg kan worden aangelegd, bijvoorbeeld, als integraal onderdeel van de constructie.

Dit is in potentie nog steeds een snel "maken of breken"-type project en zal veel nieuw denkwerk vergen, maar de oplossing zou in het bitumen of een oppervlaktemarkering kunnen liggen, zoals de weglijn.

Kan de weg zelf uw auto opladen?

Maar wat als we deze multifunctionele mogelijkheid zouden kunnen gebruiken in alle infrastructuur en gebouwen die deel uitmaken van een stad of stad? Het zou de connectiviteit transformeren en de structuur van onze gebouwde omgevingen responsief en intuïtief maken voor onze dagelijkse behoeften.

Dus, we kunnen ons oplaadpunten voorstellen die in ons wegennet zijn ingebouwd - en elke keer dat een e-auto stopt voor verkeerslichten of stilstaat op een parkeerplaats, kan deze ter plaatse worden opgeladen. Als de voertuigen van de toekomst gebruik zouden maken van hybride energieopslag, dat wil zeggen een batterijaandrijflijn met een supercondensatoreenheid, dan zouden ze snel kunnen worden opgeladen terwijl hun chauffeurs vrolijk door de stad rijden. En die batterijen en supercondensatoren zouden, natuurlijk, zijn voorzien van nieuwe materialen waardoor ze veel effectiever kunnen werken in vergelijking met de energieopslagapparaten die we tegenwoordig moeten gebruiken.

Soortgelijke vorderingen kunnen worden gemaakt met sensortechnologie, die van cruciaal belang zijn als steden de vereiste connectiviteitsniveaus willen bereiken die nodig zijn om slimmer te worden, efficiënter en uiteindelijk groener. Grafeen en sensoren zijn een natuurlijke combinatie omdat de grote oppervlakte-tot-volumeverhouding van grafeen, unieke optische eigenschappen, uitstekende elektrische geleidbaarheid en mobiliteit en hoge thermische geleidbaarheid kunnen allemaal de functionaliteit van een reeks sensoren aanzienlijk verbeteren.

Grafeen en geavanceerde materialen kunnen in potentie een grote rol spelen om onze gebouwen en infrastructuur niet alleen aanzienlijk groener, maar ook aantoonbaar slimmer te maken. Als we kijken om de uitdaging van de klimaatverandering aan te gaan en ernaar streven om 'beter terug te bouwen', Ik ben ervan overtuigd dat we dringend moeten onderzoeken hoe geavanceerde materialen de bouwstenen kunnen vormen voor een opwindende nieuwe toekomst.