Teadusportaal Novaator kirjutab, et Tartu ülikooli teadlased on töötanud välja materjali, mis võimaldaks freesturbas ja põlevkivituhast printida 3D-printeriga energiatõhusaid maju. Avaldame ideed tutvustava artikli ka meie siseveebis.

Lõigatud turbaplokkidest ehitati maju juba aastatuhandeid tagasi. Nüüd on Tartu Ülikooli teadlased töötanud välja materjali, mis võimaldaks freesturbast ja põlevkivituhast printida 3D-printeriga energiatõhusaid maju.

Keemiadoktor Jüri Liiv leiutas paar aastat tagasi turbast, linnusõnnikust ja puutuhast orgaanilise humaatmullaparandaja TURPS-i, mis paneb taimed kiiremini kasvama ja suurendab mulla viljakust. Katsetades, millised graanulid on sobiva kõvadusega, läksid ta mõtted sellele, kas turbast saaks valmistada ka isepüsiva ehitusmaterjali. Praegu saab Jüri Liiv kindlalt öelda, et see on võimalik, kirjutab Tartu Ülikooli ajakiri Universitas Tartuensis.

Koos Tartu Ülikooli ja Eesti Maaülikooli teadlastega on ta loonud peamiselt turbast ja põlevkivituhast ehitusmaterjal, mis võib vähendada eramaja ehituskulu umbes kümme korda. Eesmärgiks seati sellise kohalikel loodusvaradel ja jäätmetel põhineva isekandva ehitusmaterjali loomine, millega saaks otse ehitusplatsil 3D-printida kuni kahekorruselisi maju. Keskkonnainvesteeringute Keskus rahastas teadlaste projekti ligikaudu 200 000 euroga.

Parem varakasutus

Eesti Märgalade Ühingu andmetel katavad sood Eesti pindalast peaaegu 22% ja ainult kolmandik sellest on arvel turbamaardlatena. Uuritud turbavarust on vähem kui kolmandik loetud kasutatavaks varuks, ja sellest umbes 2% kohta on kaevandamisluba. See tähendab, et kuigi turvast Eestis jagub, kasutatakse seda äärmiselt vähe. Seni on kasutuskõlblikuks peetud üksnes turbakihi ülemist kuivemat osa. Suuremate soode turbakihi paksus on keskmiselt 3–5 meetrit, harva 7–8 või isegi kuni 18 meetrit. Kasutamata osa jäetakse kõdunema.

TÜ keemia doktorant Ergo Rikmannile selline raiskamine ei meeldi. “Ka seda turvast on võimalik rakendada majanduslikult kasulikult. Turbast saab eraldada palju fraktsioone – näiteks humiinaineid ja vahasid – ning lõppjääki kasutada kas või tselluloosi tootmiseks,” ütleb Rikmann. Praegused kuivendatud jääksood toovad peale varude raiskamise kaasa veel ühe suure probleemi: süsihappegaasi sidumise asemel hakkavad need seda hoopis ise tootma. Paraku ei ole see kogus väike.  “Rahvusvaheliste andmete põhjal võib öelda, et Eesti pooleldi kasutatud turbaväljad eraldavad aastas rohkem süsihappegaasi kui Narva elektrijaamad,” toob Liiv ehmatava võrdluse.

Vähem süsihappegaasi!

Levinuim turba kaevandamise meetod on freesimine. Selle käigus lõigatakse turbalasundi pealmisest kihist lahti 10–20 mm paksune kiht ja jäetakse see freesväljale kuivama. Kui väljalõigatud osa on piisavalt kuiv, tõstetakse see hunnikutesse ja lõigatakse lahti järgmine kiht. Et selline töömeetod end ära tasuks, on enamik freesvälju suuremad kui 100 hektarit.

Kui turbalasundi pealmine kiht eemaldada, jääb alles väga happeline lagunev turvas, mille peal ei kasva isegi turbasammal. Rootsis tehtud mõõtmised näitavad, et freesväljal mineraliseerub turvas ülikiiresti. See tähendab, et Eesti kõdusood saadavad igal aastal atmosfääri arvatavasti kuni 10 miljonit tonni süsihappegaasi. Kasvav turvas seevastu seob süsihappegaasi. Et turvas uuesti kasvama saada, tuleks kaevandamise käigus välja võtta kogu varu. Soomes, kus kasutatakse turvast väga palju, taastatakse turbavälju aktiivselt: pärast turba väljavõtmist külvatakse samasse kohta turbasammal.

Liivi sõnul on Eestis turbamaardlad üldjuhul paksemad kui Soomes ja nõuaksid taastamiseks rohkem tööd. Samas oleks meie turbaalade ulatuslikkust arvestades nende mõistliku kasutamise korral juurdekasv suurem, kui jõuaksime ära tarvitada. “Seni pole keegi valmistanud ehitusmaterjaliks turbakomposiiti, sest turvas takistab paljude materjalide kivistumist. Oma projektis saime sellest probleemist jagu,” rõõmustab Liiv.

Harjumuspärase tsemendi asemel kasutavad Tartu teadlased oma segus turba kõrval sideainena põlevkivituhka, sest seda leidub Eestis kõige rohkem. Tegelikult võivat materjali printimisel kasutada igasugust tuhka.

Jäätmete väärindamine

Põlevkivituhk on tunnistatud ohtlikuks jäätmeks, sest veega kokku puutudes muutub see väga aluseliseks. Joogivee pH on 7, aga põlevkivituhal võib see näitaja olla ligi 13, mis muudab selle keskkonnale kahjulikuks. Samas sobib sellise pH-ga tuhk ehitusmaterjali jaoks kõige paremini.

Kui poorilahuse pH on alla 9, ei kõvastu see üldse. Selle mure saab lahendada väga kõrge pH juures, kasutades põlevkivituhas leiduvat kaaliumoksiidi ja leelismetallide sidumist mittelahustuvateks ühenditeks. Turba sees reageerib põlevkivituhk humiinhapetega ja neelab süsihappegaasi. See tähendab, et keemiliste reaktsioonide tulemusena muutub sideaine tavaliseks betooniks ja lubjakiviks. Tartu teadlased tegid uudset ehitusmaterjali välja töötades ohtrasti analüüse, millest selgus, et materjal on tervisele ja keskkonnale täiesti ohutu. Lisaks leiti katsete käigus lahendus, kuidas vähendada tardumisaega umbes 30 päevalt ühe päevani.

Eestis tekib aastas hinnanguliselt 7 miljonit tonni põlevkivituhka, millest taaskasutatakse 5% (tsemendi tootmiseks ja põldude lupjamiseks). Ülejäänu ladustatakse tuhamägedesse ja see tekitab märkimisväärse keskkonnareostuse. Turbamaterjali kasutamine aitaks kindlasti kaasa sellele, et uut tuhka ladustataks vähem. Projekti vastutava täitja, TÜ kolloid- ja keskkonnakeemia õppetooli professori Toomas Tenno sõnul lisatakse turbale ja põlevkivituhale omaduste parandamiseks nanomõõtmetes lisaaineid, näiteks nanoränidioksiidi ehk ränisuitsu. “Kuna osakesed on väga väikesed, lahustuvad need hästi ja jaotuvad materjalis ühtlaselt. Ränisuits parandab tunduvalt selle materjali kvaliteeti,” ütleb Tenno.

Algul plaaniti turbamajade ehituses kasutada ka taaskasutusplasti, et panna kogu materjali sisse tugevdav sõrestik. Loodud materjal sai aga nii hea, et seisab püsti ka ilma sõrestikuta. Armatuuri on vaja ainult akna- ja ukseavade, kaarte ning muude erilisemate arhitektuuriliste lahenduste jaoks.

Head omadused

Väljatöötatud turbamaterjal saavutab esialgse tahkuse 24 tunni jooksul, kuid jääb veel pikaks ajaks elastseks. Seetõttu ei lähe vaja soojustust ega täiteid ja kogu konstruktsioon muutub õhkupidavaks ilma tuuletõket lisamata.

“See on hingav materjal, mis ei vaja eraldi auru- ega tuuletõket. Mingit hallitust tekkida ei tohiks. Lisaks peab see meeletult hästi müra. Soomes tehakse turbast akustilisi paneele ja meie materjal sobib selleks sama hästi,” selgitab Liiv.

Tenno lisab, et teadustööle kulus umbes aasta, enne kui leiti materjali õige segu, mis oleks samal ajal tugev ja väga hea soojusjuhtivusega. Pärast lõplikku kõvastumist on materjal tugev ja väga kerge, sooja- ja vastupidav. Kuigi turvast kasutatakse ka küttematerjalina, on teadlaste väljatöötatud materjal tuleohutu.

Häid omadusi on sel ehitusmaterjalil veel. Maamajades on tihti probleeme rottide, putukate ja hallitusega – uudne koostis ei sobi ühelegi nimetatud kahjutekitajale. Selle komposiidi puhul ei pea kartma ka seintele rohu või puude kasvamist. Taimekasvatuses kasutatava turbasegu koostis on hoopis teine. Et turvas ja põlevkivituhk ei maksa kuigi palju, teeks majaehitajaid eriti õnnelikuks materjali hind. Liivi sõnul arvutasid teadlased, et sellest prinditud 100–150 ruutmeetri suuruse põrandapinnaga majakarbi ehituskulude omahind võiks olla umbes 5000 eurot (sama suure karkassmajakarbi ehitus maksaks ligikaudu kümme korda rohkem).

Seega saaks turbamaterjalist ehitada väga odava A-klassi energiamaja. Juba hoonet printides on võimalik printida materjali külge sise- või välisviimistlus. Materjali pind on rustikaalne ning seda saab soovi korral siledamaks pahteldada ja värvida.

Printimine tulevikus

Praeguseks on tehtud nii teadustöö kui ka hulk katseid. Materjalitehnoloogilised probleemid on lahendatud edukalt, kuid ebapiisava rahastuse tõttu jäi printimata plaanitud 27 kuupmeetri suurune katsehoone. Turbamaterjal on põhimõtteliselt valmis tootmiseks detailidena, kuid 3D-printimiseks on vaja teha veel palju tööd.

“Meie materjalist maja ehitamine võiks välja näha nii, et valatakse vundament ning üheks päevaks sõidab kohale printeriga auto, kaasas paar-kolm puistekoormat turvast, põlevkivituhk ja muud lisandid. Kahekordse elumaja saaks neist valmis printida ühe-kahe päevaga,” kirjeldab Liiv.

Nüüdisaegsed tööstuslikud 3D-printerid prindivad kuni 15 mm materjalikihi korraga, tänu sellele kulgeks töö kiiresti. Kohapeal oleks vaja lihtsalt paigaldada torustik ning panna hiljem õigetesse avaustesse käsitsi ette uksed ja aknad. Võib-olla ostab Eesti Maaülikool, kus Tõnis Teppand aitas teha projekti ehitusmehaanilisi katseid, lähitulevikus Venemaalt Voronežistühe sellise printeri. Hea õnne korral saavad teadlased rakendusuuringuid sel juhul järgmisel aastal jätkata. Praegu ootavad nad rahastustaotlusele vastust. Rahastust on tarvis ehitusmaterjali projekti jätkamiseks ning teiste turbakasutust eeldavate suundade arendamiseks, mis on sellest välja kasvanud.

Sama tehnoloogiaga, kuid teistsuguse koostisega iselagunevaid plokke saab kasutada istikute ettekasvatamiseks ja näiteks linnahaljastuses kompositsioonide loomiseks. Veel loodavad teadlased arendada välja ohtlike jäätmete utiliseerimise tehnoloogia. See kapseldaks kõik kahjulikud ained graanulitesse ja muudaks need mittelahustuvaks või töötleks need kasulikeks aineteks. Tenno lisab, et nad on pakkunud välja ka turbast aktiivsöe tootmise. Esialgsete katsete tulemused on väga paljutõotavad, ent rahastust sellel suunal pole.

Kas teadsid, et tänu turbamaterjali 3D-printimisele

•väärindataks kohalikku toorainet turvast ja loodaks lisandväärtust; kasutataks ohtlikke tootmisjääke (põlevkivituhka) ja taaskasutatavat toorainet (pandiplasti);

•vähendataks süsinikdioksiidi heitmeid;

•suureneks tunduvalt tööviljakus nendel ehitustöödel, kus tuleb praegu teha palju käsitsitööd;

•kasvaks märkimisväärselt ehituskiirus;

•tekiks selle uue tehnoloogia piiramatud ekspordivõimalused;

•arendataks ökoloogilist ehitamist;

•teeks valdkonnaülene pädevus suure arenguhüppe. 

Katre Tatrik, Tartu Ülikool