Kosmiczne technologie w budownictwie
czyli co budownictwo zawdzięcza NASA?
Zgłębiamy w „Builderze” nowy temat – ciekawy i aktualny, i przyszłościowy, kosmiczny. Ciekawi jesteśmy, jak duży jest potencjał adaptacji technologii kosmicznych do budownictwa, jakie przyniósł, a jakie jeszcze może przynieść rewolucyjne zmiany w tej branży oraz jakie korzyści dla budownictwa. Jakie są przykłady innowacyjnych rozwiązań w zakresie materiałów, konstrukcji i procesów budowlanych, które są lub mogą być adaptowane z technik opracowanych dla potrzeb eksploracji kosmosu? Co już jest wykorzystywane w budownictwie? Zapytaliśmy znawców tematu i jego największych pasjonatów z kraju i z zagranicy.
dr hab. inż. vis. prof. WŁODZIMIERZ ADAMSKI
Prezes, Polskie Stowarzyszenie Upowszechniania Komputerowych Systemów Inżynierskich „PROCAX” Kosmos od zawsze był inspiracją dla naukowców i inżynierów. Jednak technologie opracowywane na potrzeby NASA nie kończą swojego życia na orbicie – wiele z nich już dziś zmienia ziemskie budownictwo, a ich potencjał jest ogromny.
Eksploracja kosmosu wymagała stworzenia ultralekkich, wytrzymałych i energooszczędnych materiałów oraz konstrukcji, które sprostają ekstremalnym warunkom. Takie innowacje doskonale sprawdzają się też na Ziemi. Przykładem jest aerogel – jeden z najlepszych znanych izolatorów termicznych, opracowany do ochrony sond i astronautów przed mrozem próżni. Obecnie używa się go do ocieplania budynków i okien o wyjątkowo niskim współczynniku strat ciepła.
NASA opracowała też inteligentne powłoki i farby termoizolacyjne, odbijające promieniowanie słoneczne, które zmniejszają nagrzewanie budynków i obniżają koszty klimatyzacji. Badania nad pyłem księżycowym i marsjańskim zainspirowały stworzenie betonów o podwyższonej wytrzymałości i odporności na ścieranie.
Na potrzeby misji kosmicznych powstały także lekkie, modułowe habitaty – ich idea dziś znajduje zastosowanie w budownictwie modułowym i kryzysowym, pozwalając szybko budować szkoły, szpitale czy schroniska. Obiecującym kierunkiem jest też druk 3D z lokalnych surowców, testowany przezNASA dla budowy baz na Księżycu – już teraz na Ziemi drukarki 3D budujądomy z betonu taniej i szybciej niż klasycznymi metodami.
Wykorzystanie robotów budowlanych, samoczyszczących powłok, inteligentnych systemów monitorowania konstrukcji to kolejne transfery technologii kosmicznych, które czynią budynki bardziej efektywnymi i odpornymi.
Potencjał adaptacji technologii z kosmosu do budownictwa wciąż jest ogromny – w przyszłości możemy oczekiwać jeszcze lżejszych i mocniejszych materiałów, pełnej automatyzacji budowy oraz budynków odpornych na ekstremalne warunki klimatyczne. Dzięki NASA nasze domy stają się bardziej energooszczędne, komfortowe i przyjazne środowisku, a kosmiczne innowacje sprawiają, że budownictwo odważnie patrzy w przyszłość.
Literatura:
- NASA Spinoff (coroczne raporty) — dostępne online: https://spinoff.nasa.gov
(oficjalne opracowania NASA dokumentujące technologie stworzone na potrzeby misji kosmicznych i ich zastosowania na Ziemi, w tym w budownictwie) - NASA’s Contributions to Building Energy Efficiency — U.S. Department of Energy, 2010. (raport o wpływie technologii kosmicznych na energooszczędność budynków)
- Krishnan, M. & Ramakrishnan, K. (2019). Aerogels: Properties and Applications. Wiley. (obszerne opracowanie na temat aerogeli i ich wykorzystania)
- Construction Robotics and Automation: Applications in Construction Industry — International Journal of Engineering Research & Technology (IJERT), vol. 8, issue 7, 2019. (przegląd technologii robotycznych w budownictwie inspirowanych m.in. rozwiązaniami NASA)
- Banerjee, S., & Kundu, T. (2021). Sustainable Building Materials and Construction. CRC Press. (opisuje m.in. wykorzystanie materiałów inspirowanych kosmosem)
dr hab. inż. arch. KLAUDIUSZ FROSS, prof. PŚ,
Politechnika Śląska
Architektura kosmiczna daje nowe możliwości, wolność myślenia, twórczy kontekst projektowy i specyficzne warunki do projektowania oraz nowe wyzwania technologiczne.
Dla mnie, dla architekta, badacza, dydaktyka i projektanta, Architektura Kosmiczna uwalnia od codziennej rutyny i daje niesamowitą pasję projektanta-podróżnika w nieznane. Ale częstym pytaniem, jakie mi wielokrotnie zadawano, było: Czy nie mamy wystarczająco problemów do rozwiązania na Ziemi, aby zajmować się Kosmosem? Można zadać kolejne pytanie wynikające z powyższego: Po co nam architektura kosmiczna? Oczywisty jest fakt, że architektura kosmiczna daje nowe możliwości, wolność myślenia, twórczy kontekst projektowy i specyficzne warunki do projektowania oraz nowe wyzwania technologiczne. Badania prowadzone w odmiennych warunkach pozwalają zarówno architektom, jak i studentom na wyzwolenie wyobraźni badawczej. Rozwiązania kosmiczne w zakresie samowystarczalnych obiektów mieszkalnych mogą mieć znaczący wpływ dla rozwoju budownictwa przyszłości na Ziemi.
Wyniki badań kosmicznych już teraz mają duże znaczenie dla poprawy jakości życia na Ziemi. Mamy małą świadomość, ile cennych wynalazków kosmicznych używamy obecnie na Ziemi, np.: pożywienie liofilizowane wykorzystywane przez alpinistów, podróżników czy w dietach, aparaty w smartfonach, odporne na zarysowania szkła w okularach, elastyczna pianka poliuretanowa, termometr na podczerwień, wykrywacze dymu, filtry wody, przenośny odkurzacz, zestaw słuchawkowy, mrożone jedzenie i hermetyczne opakowania, pokarm dla dzieci, myszka komputerowa, strój pływacki, samochód autonomiczny, systemy kontroli ruchu lotniczego, nawierzchnia rowkowana, koce foliowe, pianka z pamięcią.
Obecnie na Ziemi najbardziej znanymi i powszechnie używanymi materiałami budowlanymi są: beton (żelbet), stal, ceramika i szkło, a także drewno. Te materiały w kosmosie raczej nie znajdą powszechnego zastosowania, głównie ze względu na swój ciężar i związane z tym koszty transportu rakietami. W Kosmosie potrzebne są materiały, które powstaną z przetworzonego regolitu, czyli skały Księżyca lub Marsa. Regolit jako zwietrzała, rozdrobniona, wierzchnia warstwa pokrywająca planety może posłużyć do produkcji na miejscu, w warunkach kosmicznych „Księżycowego Betonu” lub Marsjańskiego Betonu”. Inne materiały, które mogą być brane pod uwagę, to kompozyty grafenowe lub innowacyjne hybrydowe nanomateriały o wielu funkcjach właściwych dla panujących w Kosmosie warunków. Za kolejne materiały przyszłości można uznać polimery, które zmieszane z regolitem poprzez druk 3D mogą tworzyć konstrukcje obiektów kosmicznych. Na pewno kosmiczne materiały przyszłości powstaną w laboratoriach na Ziemi przy udziale inżynierów budownictwa, materiałoznawstwa, architektów oraz badaczy wielu innych specjalności. Na pewno jest szansa, aby niektóre technologie po testach kosmicznych mogły być w przyszłości używane także na Ziemi.
Czy architekci powinni lecieć w Kosmos? Architektura kosmiczna i kosmiczny ład przestrzenny.
”To tylko pozornie pozbawione sensu pytanie. Niezależnie gdzie, czy na Ziemi czy w innym miejscu w Kosmosie potrzebni są architekci oraz wiedza do projektowania optymalnych, ekonomicznych, ergonomicznych obiektów, spełniających potrzeby, dostosowanych do specyficznych warunków i otoczenia. Autorzy projektów zobowiązani są do pełnienia nadzoru autorskiego. Także ktoś musi pilnować ładu przestrzennego w Kosmosie. Wiedza do projektowania płynie z badań środowiska zbudowanego. Wnioski z badań pozwalają na sformułowanie wytycznych do projektowania, wykorzystanie dobrych praktyk projektowych oraz unikanie popełnionych błędów. Jak wiemy przez ostatnie lata zdążono zaśmiecić Kosmos odpadami, które sprawiają nie lada problemy. Tak to jest, gdy nie zdobywa się nowych przestrzeni stosując zasady wcześniej ustalonego ładu przestrzennego i zrównoważonego rozwoju. Ziemskim przykładem jest Antarktyda, piękny krajobrazowo obraz z opustoszałymi bazami wielorybniczymi składającymi się z opuszczonych zardzewiałych, szpecących konstrukcji. Porozrzucanymi bazami badawczymi zbudowanymi z kontenerów. Każdy buduje jak chce, bez jakichkolwiek zasad. Jedyną zasadą jest aby przetrwać w ekstremalnych warunkach. Przecież trudnodostępne regiony Ziemi i Kosmosu nie upoważniają do zaśmiecania ich przestrzenni.”
dr hab. inż. arch. ADAM BARYŁKA, prof. SGGW
NASA i inne agencje kosmiczne przez dekady opracowywały zaawansowane materiały, systemy i technologie, które później zostały zaadaptowane przez przemysł budowlany.
Kosmiczne technologie w budownictwie to fascynujący temat, który pokazuje, jak innowacje opracowane z myślą o eksploracji kosmosu znajdują zastosowanie w naszym codziennym życiu – również w budownictwie. Potencjał adaptacji technologii kosmicznych do budownictwa jest bardzo duży – wiele z nich już teraz rewolucjonizuje branżę, a inne mogą w najbliższych latach przynieść głębokie zmiany. Technologie te są owocem ekstremalnych wymagań misji kosmicznych: minimalna masa, maksymalna trwałość, samowystarczalność, automatyzacja i odporność na skrajne warunki – to wszystko czyni je atrakcyjnymi dla budownictwa na Ziemi. NASA i inne agencje kosmiczne przez dekady opracowywały zaawansowane materiały, systemy i technologie, które później zostały zaadaptowane przez przemysł budowlany. Najważniejsze przykłady wykorzystania kosmicznych technologii w budownictwie dotyczą: zaawansowanych materiałów budowlanych, systemów zarządzania energią, nowoczesnych technologii konstrukcyjnych, systemów bezpieczeństwa i monitoringu, zrównoważonego budownictwa i recyklingu, innowacji w projektowaniu i testowaniu.
Przenikanie technologii kosmicznych do budownictwa już trwa i może całkowicie zmienić sposób, w jaki budujemy, gdzie budujemy i jak długo nasze budowle przetrwają. Pełne wykorzystanie tych technologii może stanowić odpowiedź na kryzys klimatyczny, przeludnienie miast oraz potrzebę szybkiego reagowania na katastrofy naturalne. Dzięki tym technologiom budujemy bezpieczniej, szybciej, taniej i bardziej ekologicznie.
PRZYKŁADY WYKORZYSTANIA KOSMICZNYCH TECHNOLOGII W BUDOWNICTWIE:
Najważniejsze przykłady wykorzystania kosmicznych technologii w budownictwie dotyczą:
- zaawansowanych materiałów budowlanych,
- systemów zarządzania energią,
- nowoczesnych technologii konstrukcyjnych,
- systemów bezpieczeństwa i monitoringu,
- zrównoważonego budownictwa i recyklingu,
- innowacji w projektowaniui testowaniu.
1) Przykłady wykorzystania zaawansowanych materiałów budowlanych
• Izolacje termiczne (np. aerogel: ultra lekki materiał o doskonałych właściwościach izolacyjnych, początkowo używany w kombinezonach astronautówi statkach kosmicznych, obecnie stosowany jako ultraefektywne izolacje w budownictwie energooszczędnym i pasywnym).
• Pianki termoizolacyjne (np.poliuretanowe): opracowane do ochrony promów kosmicznych przed ekstremalnymi temperaturami, dziś powszechne w ocieplaniu dachów i ścian.
• Tkaniny ognioodporne: stosowane jako materiały wykończeniowe w budynkach użyteczności publicznej, pierwotnie opracowane do ochrony astronautów.
• Kompozyty węglowe i ceramiczne z osłon statków kosmicznych: używane w ochronie przeciwpożarowej oraz do wzmacniania konstrukcji (lekkie i wytrzymałe).
2) Przykłady wykorzystaniasystemów zarządzania energią
• Panele fotowoltaiczne: NASA rozwijała technologię paneli słonecznych do zasilania satelitów i stacji kosmicznych. Dziś ich zaawansowane wersje umożliwiają produkcję energii elektrycznej.
• Inteligentne zarządzanie energią (smart grid): systemy opracowane do optymalizacji zasilania stacji kosmicznych mają swoje odpowiedniki w „inteligentnych budynkach”, które zarządzają zużyciem energii, wentylacją i ogrzewaniem.
• Systemy magazynowania energii (np. baterie litowo-jonowe zoptymalizowane przez NASA).
3) Przykłady wykorzystanianowoczesnych technologiikonstrukcyjnych
• Materiały samonaprawiające się: Inspiracją były technologie do długoterminowego funkcjonowania sprzętu w kosmosie. Dziś stosuje się betony z bakteriami, które same wypełniają mikropęknięcia.
• Autonomiczne systemy budowy – technologie budowy habitatów na Marsie bez ludzi mogą być użyte w trudno dostępnych miejscach na Ziemi (pustynie, Arktyka, oceany).
• Technologie automatykii robotyki opracowane dla misji kosmicznych wykorzystuje się w robotyzacji placów budowy, np.roboty do murarstwa, drony doinspekcji.
• Architektura modułowa i adaptacyjna – moduły jak na ISS: szybki montaż, łatwa rozbudowa, odporność na zmiany otoczenia (np. katastrofy naturalne).
• Druk 3D: NASA testuje druk 3D do budowy baz na Księżycui Marsie. Podobne technologie są wykorzystywane do drukowania budynków z betonu oraz lokalnych materiałów (np. gleby, odpadów) szybko, tanio i z ograniczonym wpływem na środowisko, automatyzacja budowy bez załogi.
• Nowe standardy samowystarczalności – budynki inspirowane habitatami kosmicznymi mogą być całkowicie off-grid, samowystarczalne podwzględem energii, wody i żywności.
4) Przykłady wykorzystaniasystemów bezpieczeństwai monitoringu
• Zintegrowane systemyśrodowiskowe – wprowadzeniesystemów kontroli klimatu i jakościpowietrza na poziomie kosmicznym, np. do szpitali, laboratoriów, szkół.
• Inteligentne czujniki strukturalne: Technologia monitorowania stanu statków kosmicznych przeniesiona do budynków pozwalająca na monitorowanie stanu technicznego konstrukcji mostów, wieżowców i tuneli w czasie rzeczywistym (np. drgania, wibracje, naprężenia, mikroprzesunięcia, ruchy konstrukcji).
• Systemy przeciwpożarowe: Czujniki i systemy gaszenia, opracowane do pracy w trudnych warunkach kosmosu, są dziś używane w budynkach o wysokich standardach bezpieczeństwa.
5) Przykłady wykorzystaniazrównoważonego budownictwai recyklingu
• Systemy oczyszczania powietrza i wody: technologie z Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS) wykorzystywane w budynkach energooszczędnych oraz na terenach katastrof ekologicznych.
• Recykling materiałów: opracowany na potrzeby misji kosmicznych recykling plastikui metali znajduje dziś zastosowanie w ekologicznychtechnologiach budowlanych.
6) Przykłady wykorzystaniainnowacji w projektowaniui testowaniu
• Symulacje komputerowe (CFD, FEM): zaawansowane narzędzia symulacyjne używane pierwotnie przez NASA do modelowania obciążeń i ekstremalnych warunków przy projektowaniu statków kosmicznych, dziś stosowane do analiz konstrukcyjnych, wentylacyjnych i akustycznych w budynkach.
• Systemy nawigacjii geolokalizacji GPS: używane do precyzyjnego wyznaczania lokalizacji i prowadzenia prac geodezyjnych, ułatwiają budowę dużych infrastrukturalnych obiektów (autostrady, mosty, linie kolejowe).
ALEKSANDRA RADLIŃSKA
Professor, Civil and Environmental Engineering,
Penn State University
Robotyka i automatyzacja od dawna pozwalają na szybki rozwój przemysłu, ale dopiero teraz, i to dzięki NASA, odkrywamy potencjał szerszego zastosowania robotyki w budownictwie. Zaawansowane materiały kompozytowe, izolacje termiczne, inteligentne czujniki i coraz bardziej rozpowszechniony druk 3D zmieniają krajobraz budowlany dookoła nas i zapowiadają rozwój budownictwa „nie z tej ziemi”.
Już ateński filozof Sokrates powiedział, że: „Człowiek musi wznieść się ponad Ziemię – na szczyt atmosfery i poza nią, bo tylko wtedy w pełni zrozumie on świat, w którym żyje”. Podążając za tym nakazem, NASA przybliża dzień, w którym nasza stała obecność w przestrzeni pozaziemskiej stanie się możliwa. I do naszego przetrwania w trudnych warunkach pozaziemskich potrzebna będzie infrastruktura, w podobny sposób jak budynki, drogi i mosty pozwalają współczesnej cywilizacji bezpiecznie mieszkać i przemieszczać się z miejsca na miejsce.
Pierwszym zapytaniem NASA o zaprojektowanie schronu dla astronautów udających się na planetę Mars był „Mars Habitat Centennial Challenge”. Konkurs ogłoszony przez NASA we współpracy z amerykańskim Narodowym Instytutem Innowacji Budowlanych i Bradley University miał na celu zaprojektowanie i zbudowanie prototypów zamieszkiwalnych struktur – przeznaczonych dla ludzi mających żyć i pracować na Marsie. Konkurs był częścią szerszego programu Centennial Challenges, który zachęca innowatorów spoza NASA (inżynierów, architektów, naukowców, startupy) do rozwiązywania kluczowych problemów eksploracji kosmosu. Założenia konkursu wymagały, aby habitaty były autonomicznie drukowane w technologii 3D, najlepiej z materiałów lokalnych, czyli z wykorzystaniem regolitu marsjańskiego (symulowanego na Ziemi). Konstrukcje musiały być hermetyczne, odporne na promieniowanie i marsjańskie warunki atmosferyczne. Wymagana była również funkcjonalność – przystosowanie do życia, pracy, magazynowania oraz ewentualnej naprawy przez astronautów.
Grupa naukowców i studentów z Uniwersytetu Stanowego Pensylwanii zakwalifikowała się do finału i po kilkudniowym bezpośrednim starciu zajęła drugie miejsce. Pod moim kierownictwem kontynuowane są teraz badania nad planetarnym betonem, dowodzące, że możliwe będzie wytwarzanie materiałów budowlanych na Księżycu i Marsie na podstawie regolitu, czyli luźnej warstwy zwietrzałej skały znajdującej się na powierzchni.
Moi koledzy z branży natomiast założyli firmę X-Hab. 3D, która produkuje mobilne, ekspedycyjne systemy druku 3D z betonu w celu przyspieszenia, obniżenia kosztów i zwiększenia zrównoważenia w budownictwie.
Robotyka i automatyzacja od dawna pozwalają na szybki rozwój przemysłu, ale dopiero teraz, i to dzięki NASA, odkrywamy potencjał szerszego zastosowania robotyki w budownictwie. Zaawansowane materiały kompozytowe, izolacje termiczne, inteligentne czujniki i coraz bardziej rozpowszechniony druk 3D zmieniają krajobraz budowlany dookoła nas i zapowiadają rozwój budownictwa „nie z tej ziemi”.
