Специалисты нашли способ применять отработанную кофейную гущу как сырье для 3D-печати, что открывает путь к возведению зданий с меньшей нагрузкой на окружающую среду.
Ирина Петрова
3D-архитектура кофейных отходов, разработанная учеными Мельбурнского королевского технологического университета. Источник фото:RMIT
На Неделе дизайна в Мельбурне коллектив авторов показал архитектурные объекты, изготовленные из кофейных остатков, собранных поблизости. Можно вообразить мир, где выброшенная кофейная гуща становится частью строительных конструкций, — звучит почти как сюжет из детской книги сказок.
Однако междисциплинарная группа Королевского Мельбурнского технологического института (RMIT) в Австралии доказала, что подобная фантазия не так уж далека от действительности. В ходе Недели дизайна в Мельбурне команда продемонстрировала архитектурные решения, созданные из кофейных отходов местного происхождения.
В содружестве материаловедов и архитекторов
Коллектив, которым руководили профессор Баохуа Цзя из Школы естественных наук Мельбурнского королевского технологического университета и Ник Бао из Школы архитектуры и городского дизайна, разработал разлагаемую в природе нить для 3D-печати, где основным исходным компонентом выступают кофейные остатки.
Преобразовав кофейные отходы в архитектурные формы, получаемые методом 3D-печати, исследователи продемонстрировали подход к созданию более экологичных и низкоуглеродных стройматериалов.
Работа объединила компетенции материаловедов и архитекторов. Благодаря такому взаимодействию кофе удалось задействовать как более надежный источник биоразлагаемых материалов для 3D-печати архитектурного назначения. В рамках проекта научная группа участвовала в разработке и изучении самого материала.
Архитекторы, со своей стороны, предлагали варианты вычислительного проектирования, аддитивного производства и возможного крупномасштабного применения нового материала в архитектуре. «Научная группа обладает глубокими познаниями в разработке и исследовании материала, тогда как наша команда изучает, как свойства материала могут влиять на вычислительный дизайн, аддитивное производство и более масштабные архитектурные решения», — отметил Бао.
Проект RMIT вписывается в более широкий тренд на поиск строительных материалов с низким углеродным следом. Кофе — лишь один из многих органических отходов, которые рассматриваются в качестве сырья для аддитивного производства: аналогичные исследования ведутся с рисовой шелухой, древесными опилками и волокнами сельскохозяйственных культур.
Ценность работы австралийской команды в том, что она соединяет материаловедение с архитектурным проектированием на всех этапах — от рецептуры до пространственной формы. Такой подход показывает, что переход к замкнутым циклам в строительстве возможен не только через замену одного материала другим, но и через переосмысление самого процесса проектирования.
В поисках экологичного материала
В поисках более экологичного материала специалисты из лаборатории Цзя обратили внимание на кофе, которого поблизости в избытке и который отличается экологичностью. Они увидели, что значительная часть кофейной гущи попросту выбрасывается, и захотели проверить, способны ли эти отходы улучшить дизайн и повысить прочность архитектурных материалов.
«В нашей работе мы часто прибегаем к 3D-печати, а в этом процессе обычно задействуется много пластика, изготовленного из кукурузного крахмала или из менее экологичных материалов, — поясняет Цзя. — Учитывая, что Мельбурн известен своей кофейной культурой, мы предположили, что это может оказаться хорошим материалом для исследования».
По словам одного из участников команды, Кан Лю, в ходе исследования выяснилось, что сложные формы, которых архитекторы нередко избегают из-за дороговизны, способны улучшить характеристики и функциональность материала. «Кофейная гуща может применяться как звукопоглощающий, изолирующий, ароматический и декоративный материал, давая архитекторам дополнительный уровень для работы», — говорит Лю.
Кофе представляет собой важный биоматериал, который модифицировали с помощью других биологических систем, чтобы получить сырье на биологической основе. В качестве медицинского биоматериала исследователи соединяют кофе с другими материалами, создавая антибактериальные пленки, повязки для заживления ран и системы доставки антиоксидантов. Кроме того, кофе используют для производства экологичных биопластиков и упаковочных материалов.
В лабораторных условиях команда смешивала отработанную кофейную гущу с биополимерными связующими, чтобы получить пастообразную массу, пригодную для экструзии через сопло 3D-принтера. Соотношение компонентов подбиралось экспериментально: слишком большое количество гущи делало нить хрупкой, слишком малое — снижало её экологические преимущества.
Оптимальная рецептура позволила сохранить достаточную механическую прочность при сохранении способности материала разлагаться в естественных условиях. Исследователи также оценили поведение образцов при различных температурах и уровнях влажности, поскольку эти параметры критичны для любого строительного материала, претендующего на применение вне лаборатории.
Демонстрационный проект
После лабораторных исследований и испытаний авторы перешли к полноценному пространственному демонстрационному проекту, представив наглядный пример использования кофе в качестве сырья для биоразлагаемого архитектурного материала, напечатанного на 3D-принтере.
«Это убедительный пример исследований в области экономики замкнутого цикла, показывающий, как повседневные отходы могут превращаться в полезный материал для проектирования, высокотехнологичного производства и возможного применения в строительстве в будущем», — утверждают авторы.
Отдельное внимание уделили пористой структуре получаемых объектов. Именно она отвечает за звукопоглощение и теплоизоляцию: чем сложнее внутренняя геометрия элемента, тем эффективнее он гасит шум и удерживает тепло.
Методы вычислительного проектирования позволили архитекторам задавать эту геометрию целенаправленно, а не полагаться на случай. В результате напечатанные объекты сочетали декоративные качества с функциональными свойствами, которые обычно требуют применения нескольких разных материалов.
Кофейный аромат, сохраняющийся в готовых изделиях, рассматривается авторами как дополнительный сенсорный слой, а не как основная характеристика.
Демонстрационные объекты, показанные на Неделе дизайна в Мельбурне, имели ограниченный масштаб, однако авторы подчёркивают, что проект задуман как ступень к более крупным решениям. Следующие этапы предполагают испытания на конструкциях большего размера, оценку долговечности под нагрузкой и анализ полного жизненного цикла материала — от сбора отходов до утилизации изделия.
Важно и то, что сырьё собирали поблизости от места производства: это сокращает транспортные расходы и выбросы, связанные с логистикой, что усиливает экологический эффект проекта.
Экономическая сторона вопроса пока остаётся открытой. Отработанная кофейная гуща сама по себе бесплатна, но её сбор, сушка и подготовка требуют затрат, а биополимерные связующие стоят дороже традиционных смол.
Тем не менее исследователи видят потенциал в кооперации с местными кафе и ресторанами, которые ежедневно производят значительные объёмы отходов и заинтересованы в их переработке. Подобные партнёрства могли бы сформировать устойчивую цепочку поставок в масштабах города.
