วัสดุก่อสร้างจากขยะคืออะไร และทำไมต้องสนใจตอนนี้
วัสดุก่อสร้างจากขยะคือแนวทางใช้ของเสียจากมนุษย์ ชีวภาพ และอุตสาหกรรมมาปรับสภาพให้เป็นวัสดุก่อสร้างหรือวัสดุฟังก์ชันที่มีสมบัติทางกลและความทนทานเทียบเท่าหรือดีกว่าวัสดุเดิม พร้อมลดการใช้ทรัพยากรธรรมชาติ ลดการปล่อยคาร์บอน และช่วยให้การรีไซเคิลทรัพยากรเกิดขึ้นในระดับระบบ วิศวกรรมสิ่งแวดล้อมจึงนำขยะเป็นทรัพยากรเข้ามาเป็นจุดตั้งต้นของเทคโนโลยีวัสดุใหม่ที่ตอบโจทย์ความแข็งแรง ความคุ้มค่า และความยั่งยืนควบคู่กัน
มุมมองต่อขยะกำลังเปลี่ยนจากภาระไปเป็นแหล่งวัตถุดิบยุคใหม่ เพราะโครงสร้างพื้นฐานของโลกสร้างจากคอนกรีต อิฐ และโลหะแบบดั้งเดิมที่กินพลังงานและปล่อยคาร์บอนไดออกไซด์ระดับมหาศาล การผลิตซีเมนต์ซึ่งเป็นส่วนผสมหลักของคอนกรีตถูกระบุว่าเป็นหนึ่งในแหล่งปล่อยคาร์บอนใหญ่ของโลก ขณะที่การเผาอิฐในเตาเผาอุณหภูมิราว 800 ถึง 1100 องศาเซลเซียสปล่อยของเสียคิดเป็นประมาณ 1.1 กิกะตันคาร์บอนไดออกไซด์เทียบเท่าต่อปี หากเรายังใช้วัสดุเดิมแบบเดิม การแก้ปัญหาสภาพภูมิอากาศจะขยับได้ยากมาก
จากสิ่งปฏิกูลมนุษย์สู่คอนกรีตแข็งแรงกว่าเดิม 42 เปอร์เซ็นต์
ตัวอย่างที่ท้าทายกรอบคิดเรื่องความสะอาดและความน่าเชื่อถือของวัสดุก่อสร้างมากที่สุดคือการใช้สิ่งปฏิกูลมนุษย์ในคอนกรีต ทีมนักวิจัยที่นำโดยวิศวกรโยธา Raghuvesh Tiwari ทดลองนำชีวมวลจากโรงงานบำบัดสิ่งปฏิกูลมาแปรสภาพเป็นไบโอชาร์ แล้วผสมแทนบางส่วนของซีเมนต์ในคอนกรีต จุดสำคัญคือการไม่ยอมลดมาตรฐานด้านความแข็งแรง ผลการทดสอบพบว่าการแทนที่ซีเมนต์ 10 เปอร์เซ็นต์ด้วยไบโอชาร์ทำให้กำลังต้านแรงดัดของคอนกรีตเพิ่มขึ้นถึง 42 เปอร์เซ็นต์เมื่อเทียบกับคอนกรีตมาตรฐาน
การพบว่าไบโอชาร์จากสิ่งปฏิกูลให้กำลังรับแรงสูงกว่าคอนกรีตเดิมแสดงให้เห็นว่าการรีไซเคิลทรัพยากรไม่จำเป็นต้องแลกด้วยคุณภาพ วัสดุก่อสร้างจากขยะรูปแบบนี้ยังตอบโจทย์วิศวกรรมสิ่งแวดล้อมสองด้านพร้อมกัน หนึ่ง ลดซีเมนต์และการปล่อยคาร์บอน สอง นำของเสียจากระบบสุขาภิบาลมาทำให้ปลอดภัยและมีมูลค่าเพิ่ม นักวิจัยเองก็ไม่ปิดบังข้อจำกัด พวกเขาย้ำว่าต้องมีการทดสอบต่อภายใต้สภาพการใช้งานจริง เช่น การแช่แข็งและละลายสลับกัน ความเค็ม และอุณหภูมิสุดขั้วก่อนจะผลักดันไปสู่การใช้งานเชิงโครงสร้างเต็มรูปแบบ แต่สัญญาณแรกชี้ชัดว่าขยะอินทรีย์จากมนุษย์มีศักยภาพเป็นวัสดุโครงสร้างยุคใหม่
เวย์ชีสและขยะอิเล็กทรอนิกส์ ขุมทองใหม่ในวงจรการรีไซเคิลทรัพยากร
ขยะไม่ได้มีแค่สิ่งปฏิกูลและดินเสีย แต่ยังรวมถึงของเหลือจากอุตสาหกรรมอาหารและกองขยะอิเล็กทรอนิกส์ที่เพิ่มขึ้นทุกปี เวย์หรือของเหลือจางสีขาวจากการทำชีสซึ่งมักถูกมองว่าเป็นภาระกำจัด ถูกทีมนักวิจัยที่สถาบันหนึ่งในซูริกนำมาปรับให้เป็นแอโรเจลโปรตีนรูพรุนสูง ใช้เป็นฟองน้ำดูดซับทองคำจากชิ้นส่วนเมนบอร์ดคอมพิวเตอร์ที่ละลายด้วยกรด เมื่อนำชิ้นส่วนโลหะจากเมนบอร์ดเก่าจำนวน 20 แผ่นไปละลายในกรดแล้วใช้ฟองน้ำโปรตีนดักจับ นักวิจัยสามารถนำทองที่ได้มาหลอมรวมเป็นชิ้นทองคำ 22 กะรัตรวมมวล 450 มิลลิกรัม ซึ่งมีความบริสุทธิ์ทองคำราว 91 เปอร์เซ็นต์
กรณีนี้สะท้อนภาพการรีไซเคิลทรัพยากรแบบหมุนวนสูง ขยะอุตสาหกรรมอาหารถูกเปลี่ยนเป็นวัสดุดูดซับโลหะมีค่า ในขณะที่ขยะอิเล็กทรอนิกส์ที่ทั่วโลกผลิตราว 62 ล้านตันต่อปีแต่มีการรีไซเคิลอย่างถูกต้องเพียงประมาณ 22.3 เปอร์เซ็นต์ยังถูกยกเป็นปัญหาใหญ่โดยหน่วยงานด้านสิ่งแวดล้อมระหว่างประเทศ โครงสร้างของแอโรเจลโปรตีนที่เป็นช่องว่างจำนวนมากทำให้มีพื้นที่ผิวสูงและสามารถดูดซับทองได้มีประสิทธิภาพ การเปรียบเทียบภายในงานวิจัยพบว่าการใช้โปรตีนแอโรเจล 5.26 กรัมเพื่อกู้ทองหนึ่งกรัมให้รอยเท้าคาร์บอนน้อยกว่าการใช้องค์ประกอบคาร์บอนกัมมันต์ 15.15 กรัมประมาณหนึ่งในสี่ อย่างไรก็ดี ขั้นตอนละลายโลหะด้วยกรดรุนแรงยังเป็นจุดอ่อนด้านความปลอดภัยและสิ่งแวดล้อมที่ต้องออกแบบระบบป้องกันก่อนคิดถึงการขยายระดับโรงงาน
ขนแกะ สาหร่าย และเอนไซม์ในดิน วัสดุใหม่ที่เปลี่ยนดินและอากาศเป็นโครงสร้างและพลังงาน
ในฝั่งวัสดุก่อสร้างเชิงโครงสร้าง นักวิจัยอีกกลุ่มทดลองแนวทางที่ดูเหมือนงานศิลปะมากกว่าวิศวกรรม พวกเขานำดินเหนียวจากโรงงานอิฐมาผสมกับขนแกะส่วนเกินจากอุตสาหกรรมสิ่งทอในสก็อตแลนด์และโพลิเมอร์ธรรมชาติชื่ออัลจิเนตที่สกัดจากผนังเซลล์ของสาหร่ายสีน้ำตาล จากนั้นอัดเป็นบล็อกดินแล้วทิ้งให้แห้งด้วยอากาศโดยไม่ใช้เตาเผา การเพิ่มเส้นใยขนแกะเข้าไปทำให้กำลังรับแรงอัดของบล็อกดินเพิ่มขึ้น 37 เปอร์เซ็นต์เมื่อเทียบกับบล็อกดินตากแห้งที่ไม่มีขนแกะ และเมื่อผสมทั้งขนแกะและอัลจิเนตพร้อมกัน ผลการทดสอบชี้ว่ากำลังต้านแรงอัดเพิ่มขึ้นมากกว่าสองเท่าเทียบกับตัวอย่างดินดิบ
แนวคิดแบบเดียวกันในระดับโมเลกุลกำลังเกิดขึ้นในวิศวกรรมสิ่งแวดล้อมด้านพลังงาน ทีมนักวิจัยจากสถาบันหนึ่งในเมลเบิร์นแยกเอนไซม์จากแบคทีเรียในดินชนิด Mycobacterium smegmatis ซึ่งเป็นญาติไม่ก่อโรคของเชื้อวัณโรค แล้วแสดงให้เห็นว่าเอนไซม์นี้สามารถเปลี่ยนไฮโดรเจนร่องรอยในบรรยากาศให้เป็นกระแสไฟฟ้าโดยตรง ไฮโดรเจนในอากาศมีเพียงประมาณ 0.00005 เปอร์เซ็นต์ แต่เพียงช้อนชาเดียวของดินสวนมีแบคทีเรียหลายพันล้านเซลล์ที่ใช้ไฮโดรเจนระดับนี้เป็นแหล่งพลังงาน เมื่อแยกเอนไซม์ที่ชื่อ Huc ออกมา ทีมวิจัยพบว่ามันยังสามารถผลิตไฟฟ้าได้หลังถูกแช่แข็งหรือถูกให้ความร้อนถึง 80 องศาเซลเซียส ทำให้ถูกมองว่าเป็นเหมือนแบตเตอรี่จิ๋วจากจุลินทรีย์ที่ไม่ต้องชาร์จจากภายนอก
บทสรุป ขยะเป็นทรัพยากรและโครงสร้างใหม่ของเศรษฐกิจวัสดุ
เมื่อมองภาพรวม เทคโนโลยีวัสดุใหม่จากสิ่งปฏิกูล เวย์ชีส ขนแกะ สาหร่าย และเอนไซม์ในดินกำลังเขียนกติกาใหม่ของโลกวัสดุก่อสร้างและพลังงาน จุดร่วมคือการปฏิบัติต่อขยะเป็นทรัพยากร ไม่ใช่ภาระ ทั้งไบโอชาร์จากสิ่งปฏิกูลที่ช่วยลดซีเมนต์ ขนแกะและอัลจิเนตที่ลดการเผาอิฐ ขณะที่เอนไซม์จากแบคทีเรียดินแปลงไฮโดรเจนร่องรอยในอากาศเป็นพลังงาน และฟองน้ำโปรตีนจากเวย์ดึงทองคำกลับจากอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ถูกทิ้ง
แน่นอนว่าทุกเทคโนโลยียังอยู่ในระดับห้องทดลองหรือการสาธิตขนาดเล็ก นักวิจัยด้านคอนกรีตจากสิ่งปฏิกูลเองยอมรับว่าต้องมีการทดสอบสภาพการใช้งานจริงอีกมาก งานเวย์โปรตีนก็ยังไม่ถูกแสดงให้เห็นในระดับโรงงานใหญ่และต้องจัดการสารละลายกรดอย่างเข้มงวด ด้านบล็อกดินผสมขนแกะและอัลจิเนตยังมีสถานะเป็นผลทดลองเบื้องต้นไม่ใช่ผลิตภัณฑ์ก่อสร้างสำเร็จรูป ส่วนทีมเอนไซม์ Huc ก็ตั้งเป้าขยายการผลิตโดยยกตัวอย่างนาฬิกาข้อมือเป็นการสาธิตที่เป็นไปได้ แต่หากเรามองแนวโน้มมากกว่าผลสำเร็จทันที สิ่งที่ชัดคือโลกกำลังก้าวจากยุคใช้ทรัพยากรแบบเปลืองไปสู่ยุคที่โครงสร้างพื้นฐานก่อร่างขึ้นจากขยะเป็นทรัพยากรอย่างแท้จริง และนี่คือทิศทางที่สังคมควรสนับสนุนด้วยนโยบาย การลงทุนวิจัย และการเปิดใจยอมรับวัสดุแปลกใหม่ที่อาจเป็นฐานรากของเมืองในอนาคต
