Un bio-materiale in grado di espandersi e contrarsi in base agli stimoli ambientali potrebbe sostituire acciaio e cemento

Un bio-materiale espanso portante, capace di cambiare forma e reagire agli stimoli dell’ambiente circostante, potrebbe essere il futuro dell’edilizia. Nei prossimi tre anni, un gruppo di ricerca internazionale guidato dall’Università finlandese di Aalto studierà la possibilità di stampare delle bio-schiume derivate dalla cellulosa di legno da utilizzare per realizzare facciate esterne con aperture a oblò capaci di aprirsi e chiudersi in risposta alle condizioni ambientali.

Il progetto Archibiofoam coinvolge anche l’Università degli Studi di Milano con il Centro per la Complessità e i Biosistemi e l’Università di Stoccarda, e ha recentemente ricevuto un finanziamento di 3,5 milioni di euro dall’European Innovation Council (EIC).

L’idea dei ricercatori è quella di arrivare a costruire edifici ventilati passivamente senza utilizzare cemento o acciaio, ma materiali organici capaci di espandersi e contrarsi per controllare il flusso d’aria, per abitazioni “vive” che possano reagire in autonomia alle condizioni ambientali.

Il futuro delle costruzioni: bioschiuma composta al 90% d’aria

Il progetto Archibiofoam punta a rivoluzionare la nostra concezione di edilizia: in un ipotetico futuro non troppo lontano, le città non saranno più affollate di strutture in cemento e acciaio, ma popolate da edifici “vivi” in grado di reagire naturalmente alle condizioni ambientali, espandendosi e contraendosi per controllare il flusso d’aria.

La chiave di tutto è nelle proprietà dei bio-materiali espansi portanti: in questo caso, una bio-schiuma derivata dalla cellulosa di legno che è composta per il 90 per cento da aria. La bio-schiuma, spiegano i ricercatori, ha una resistenza paragonabile ai vecchi materiali da costruzione, ma è completamente biodegradabile e aderente ai principi dell’economia circolare.

Uno degli scopi principali di Archibiofoam è quello di ridurre le emissioni del settore edilizio, l’industria più inquinante al mondo. Il patrimonio edilizio globale continua a invecchiare, e le sue caratteristiche funzionali in termini di efficienza di riscaldamento e raffreddamento diventano mano a mano sempre più obsolete. Intervenire sull’infrastruttura edilizia esistente, però, significherebbe rilasciare enormi quantità di emissioni nel breve termine.

Secondo gli scienziati, è quindi necessaria “una rivalutazione dell’intero ciclo di vita dei materiali per ridurre l’inquinamento”. I bio-materiali espansi, in questo senso, potrebbero fornire un’ottima soluzione sostituendo i materiali da costruzione non rinnovabili e ad alta intensità di risorse, come cemento, vetro e acciaio.

Edifici a tecnologia avanzata ispirati alle idee dell’artista Gaudì

La comunità scientifica sa da tempo che l’integrità strutturale di queste schiume bio è competitiva con altri materiali da costruzione, ma non è stata testata al massimo del suo potenziale, spiega il ricercatore Juha Koivisto, a capo del team di Aalto che coordinerà il progetto.

“Non solo dimostreremo che la schiuma a base di legno può essere utilizzata come materiale sostitutivo, ma dimostreremo anche la sua capacità unica di rispondere a fattori ambientali come il calore e l’umidità per consentire il riscaldamento e il raffreddamento passivo degli edifici, migliorando l’impronta di carbonio delle infrastrutture edilizie esistenti di diversi ordini di grandezza”.

L’ispirazione del ricercatore finlandese è negli edifici organici che ricordano la Barcellona di Gaudí, con camere di ventilazione che si aprono e si chiudono naturalmente. Per raggiungere un risultato così “naturale”, però, saranno necessarie delle tecnologie molto avanzate: dei complessi algoritmi troveranno la geometria più efficace, mentre enormi stampanti 4D si occuperanno di estrudere il materiale a partire dalla schiuma umida.

Algoritmi, modelli digitali e stampa 4D per l’edilizia sostenibile

Il team dell’Università di Milano guidato da Stefano Zapperi, professore di fisica della materia presso il Dipartimento di Fisica “Aldo Pontremoli” ed esperto nella generazione automatica di modelli digitali 3D, ha il compito di specificare i parametri di progettazione da ottimizzare algoritmicamente, come la sensibilità al calore e all’umidità del bio-foam, in modo da ottenere i migliori risultati.

Come spiega lui stesso:

“Stiamo attualmente assistendo a una rivoluzione nel design strutturale grazie agli algoritmi che possono trovare la geometria più efficace per una funzione desiderata, come programmare i cambiamenti di forma sotto stimoli esterni. Durante il progetto Archibiofoam intendiamo espandere le capacità del nostro software e adattarlo alle caratteristiche fisiche del bio-foam e alle esigenze del settore edilizio. Prevedo una pipeline in cui l’architetto specifica solo i suoi requisiti in termini di forma, caratteristiche meccaniche e funzioni di risposta, e il computer fornisce un modello digitale 3D pronto per essere fabbricato su larga scala”.

Il team di ricercatori dell’Istituto per il Design e la Costruzione Computazionale dell’Università di Stoccarda, guidato dalla dottoressa Tiffany Cheng, invece, si occuperà di regolare l’enorme stampante 4D utilizzata per estrudere il materiale. Questo tipo di fabbricazione robotica additiva, spiegano gli scienziati, consente di programmare gli oggetti stampati in modo che si trasformino autonomamente in risposta agli stimoli ambientali.

Sembra fantascienza, ma nella realtà è (e sarà) tutto vero

La fabbricazione robotizzata di schiume bioderivate offre la possibilità di creare un’architettura adattiva che potrebbe ridurre drasticamente l’impronta di carbonio non soltanto nel processo di produzione dei materiali, ma anche durante l’intero ciclo di vita dell’edificio (per esempio controllando la contrazione e l’espansione della schiuma per rispondere a calore e umidità).

Come spiega Tiffany Cheng:

“La fabbricazione additiva robotica è particolarmente adatta per strutturare i materiali ad alta risoluzione, sbloccando il potenziale di performance del bio-foam su larga scala. Adattando il sistema mono-materiale attraverso il nostro processo di produzione, miriamo a soddisfare i molteplici requisiti funzionali dei componenti edilizi, come la capacità di carico e il cambiamento di forma per la ventilazione adattiva“. 

Una schiuma che “respira”, composta al 90 per cento d’aria, saprà trovare spazio come valida alternativa ad acciaio e cemento? “Il nostro obiettivo è dimostrare la sua efficacia come materiale da costruzione vero e proprio”, conclude Juha Koivisto, “sembra fantascienza, ma è tutto vero ed eccitante”.

Il materiale in bio-foam, in effetti, è oggetto di ricerca da oltre un decennio: il partner industriale del progetto, lo spin-off dell’Università di Aalto Woamy, è già all’avanguardia nella tecnologia della bio-schiuma, e si appresta ad inaugurare il primo stabilimento pilota entro il 2027. Per quanto ancora ipotetico, il futuro degli edifici in schiuma di cellulosa ispirati a Gaudì non è poi così lontano.

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