Μια ερευνητική ομάδα στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Τζόρτζια των ΗΠΑ, με επικεφαλής τον καθηγητή αεροδιαστημικής μηχανικής Χρήστο Αθανασίου πέτυχαν ένα καινοτόμο άλμα στην προσπάθειά τους να λύσουν ένα από τα πιο πιεστικά περιβαλλοντικά ζητήματα της εποχής μας, τη διαχείριση των πλαστικών αποβλήτων.
Η ομάδα ανέπτυξε ένα πρωτοποριακό υλικό εμπνευσμένο από τα κοχύλια της θάλασσας, το οποίο θα μπορούσε να μεταμορφώσει τον τρόπο χρήσης των ανακυκλωμένων πλαστικών, να μειώσει το κόστος παραγωγής των παρθένων (καινούργιων) πλαστικών υλικών συσκευασίας κατά σχεδόν 50% και να κρατήσει περισσότερα πλαστικά απόβλητα μακριά από τις χωματερές.
Λιγότερο από το 10% των 350 εκατομμυρίων τόνων πλαστικού που παράγονται κάθε χρόνο ανακυκλώνεται αποτελεσματικά, αλλά το υλικό που προκύπτει συχνά δεν κρίνεται αξιόπιστο για κρίσιμες και απαιτητικές εφαρμογές, καθώς δεν διατηρεί τα χαρακτηριστικά υψηλής απόδοσης της αρχικής του μορφής. Σε αυτό ακριβώς έρχεται να δώσει λύση το εύρημα του Έλληνα μηχανικού, στην ασυνέπεια των πλαστικών υλικών, η οποία αποτελεί ένα από τα μεγαλύτερα προβλήματα της ανακύκλωσης.
Στην τυπική μηχανική ανακύκλωση, τα πλαστικά που συλλέγονται από διάφορες πηγές λιώνουν όλα μαζί σε ένα απρόβλεπτο μείγμα. Σε αυτή τη διαδικασία συχνά υποβαθμίζονται οι εγγενείς τους ιδιότητές και προκύπτει έτσι ένα λιγότερο αξιόπιστο ανακυκλωμένο προϊόν με ασθενέστερη και απρόβλεπτη απόδοση.
«Τα ανακυκλωμένα πλαστικά δεν είναι άθικτα υλικά, συνιστούν ένα χαοτικό μείγμα από προηγούμενες ζωές. Κάθε μπουκάλι, κάθε σακούλα και κάθε περιτύλιγμα κουβαλά τη δική του ιστορία γεμάτη χημικά πρόσθετα, στρες και υποβάθμιση. Όταν τα ανακυκλώνουμε μηχανικά λιώνοντάς τα όλα μαζί, παίρνουμε ένα υλικό που είναι πιο αδύναμο από το άθικτο πλαστικό και εξαιρετικά απρόβλεπτο. Αυτή η απρόβλεπτη φύση είναι καθοριστική. Γι' αυτόν τον λόγο, τα ανακυκλωμένα πλαστικά σπάνια επαναχρησιμοποιούνται σε προϊόντα που απαιτούν αντοχή, ασφάλεια ή συνέπεια, όπως είναι τα δομικά υλικά, τα εξαρτήματα αυτοκινήτων ή τα αυτόνομα οχήματα. Απλώς δεν μπορεί κάποιος να τα εμπιστευτεί», εξηγεί ο Δρ Αθανασίου, προσθέτοντας πως αυτό ακριβώς είναι και το θεμελιώδες πρόβλημα μηχανικής που μελετά το εργαστήριό του, η κατασκευή αξιόπιστων δομών από αναξιόπιστα υλικά.
Με έμπνευση τα κοχύλια
Τα κοχύλια, που παρά τις όποιες ατέλειές τους ευδοκιμούν στη φύση, ενέπνευσαν την πρωτοποριακή αυτή μελέτη του καθηγητή Αθανασίου. Η δομή τους, που αποτελείται από ένα λευκό, ιριδίζον υλικό, το μάργαρο συνίσταται σε εύθραυστα ορυκτά «τούβλα» συνδεδεμένα με μαλακό πρωτεϊνικό «κονίαμα». Αυτή η αρχιτεκτονική επιτρέπει τη διάχυση της ενέργειας μέσα στο υλικό και ελέγχει την καταστροφική αστοχία του, προσδίδοντάς του ανθεκτικότητα.
Η ομάδα του Αθανασίου δανείστηκε αυτή τη στρατηγική της φύσης για να σχεδιάσει σύνθετα υλικά.
«Αυτή είναι μια θεμελιωδώς διαφορετική φιλοσοφία σχεδιασμού από τον τρόπο που συνήθως κατασκευάζουμε υλικά, όπου η ομοιομορφία και η καθαρότητα είναι οι δρόμοι προς την αξιοπιστία. Η φύση αγκαλιάζει τη μεταβλητότητα και την καθιστά διαχειρίσιμη μέσω της δομής. Εμείς δανειστήκαμε αυτή την γνώση».
Πιο συγκεκριμένα, η ομάδα χρησιμοποίησε, ως βασικό υλικό, ανακυκλωμένο πολυαιθυλένιο υψηλής πυκνότητας HDPE, αυτή τη διάφανη ελαστική μεμβράνη με την οποία τυλίγονται τα φορτία πάνω στις παλέτες, και αφού την έκοψε σε φύλλα, την επανασυναρμολόγησε σε στρώσεις, δημιουργώντας ένα είδος «τούβλου». Αυτά τα νέα «τούβλα» συνδυάστηκαν με ένα πιο μαλακό συγκολλητικό πολυμερές «κονίαμα» για να μιμηθούν την αρχιτεκτονική του μαργάρου.
Όταν το βιο-εμπνευσμένο αυτό υλικό δοκιμάστηκε σε μια προσαρμοσμένη μηχανική διάταξη, διατήρησε την αρχική απόδοση του παρθένου πλαστικού, μειώνοντας παράλληλα τη μεταβλητότητα σε μια κρίσιμη παράμετρο μηχανικής αντοχής, τη μέγιστη επιμήκυνση, κατά περισσότερο από 68%. Αυτό αντιπροσωπεύει μια σημαντική πρόοδο σε σχέση με τις παραδοσιακές πρακτικές ανακύκλωσης, όπου οι μηχανικές ιδιότητες των ανακυκλωμένων πλαστικών συχνά αποδίδουν ασυνεπή αποτελέσματα. Η πιο ομοιόμορφη δομική ακεραιότητα αυτού του νέου σύνθετου υλικού ανοίγει το δρόμο για την εισαγωγή του σε εφαρμογές υψηλού ρίσκου όπου η απόδοση είναι κρίσιμη.
«Μειώσαμε τη μεταβλητότητα στη μέγιστη επιμήκυνση, που είναι ένα βασικό μέτρο της μηχανικής απόδοσης. Κανονικά, τα ανακυκλωμένα πλαστικά έχουν ποικίλη μηχανική απόδοση. Τα δικά μας δομημένα σύνθετα υλικά επιδεικνύουν σταθερότητα. Αυτή είναι μια βασική απαίτηση για κάθε εφαρμογή στον πραγματικό κόσμο. Με άλλα λόγια, φτιάξαμε μια κατασκευή την οποία μπορεί να εμπιστευτεί κάποιος, χρησιμοποιώντας υλικά που κανονικά δεν μπορεί να εμπιστευτεί!», σχολιάζει με οξύμωρο τρόπο ο Δρ Αθανασίου.
Οι ερευνητές δοκίμασαν τις μηχανικές ιδιότητες του καινούργιου αυτού υλικού τους σε εξελιγμένες πειραματικές διατάξεις και καθώς υπέβαλαν τις δομές του σε δυνάμεις εφελκυσμού (τέντωμα), κατέγραψαν σχολαστικά τη συμπεριφορά του σε όλα τα στάδια παραμόρφωσης, σε πραγματικό χρόνο. Αυτό τους επέτρεψε όχι μόνο να αξιολογήσουν την απόδοση των υλικών με την παραδοσιακή έννοια, αλλά και να αναπτύξουν ένα καινοτόμο μοντέλο (Tension Shear Chain) που δεν αξιολογεί απλώς την ακαμψία και την αντοχή τους, αλλά μετράει πόσο αξιόπιστα και προβλέψιμα είναι υπό τάση, ένα βασικό χαρακτηριστικό για υλικά που προορίζονται για εφαρμογές υψηλής καταπόνησης.
Η ελαστική μεμβράνη HDPE συνήθως μετά την ανακύκλωση δεν μπορεί να επαναχρησιμοποιηθεί για τον αρχικό της σκοπό, επειδή η έκθεσή της στο ηλιακό φως, στη θερμότητα και στην καταπόνηση μεταβάλλει τη μοριακή της δομή. Ο Αθανασίου την παρομοιάζει με ένα «επαναχρησιμοποιημένο αλεξίπτωτο στο οποίο δεν έχει γίνει ο καθιερωμένος έλεγχος για τυχόν σχισίματα». Η εμπνευσμένη από τα κοχύλια προσέγγιση, αποκαθιστά την αξιοπιστία αυτού του υλικού, ανοίγοντας την πόρτα για μια υψηλής απόδοσης επαναχρησιμοποίησή του.
Διαχείριση των αποβλήτων στη Γη και πέρα από αυτήν
Αν και η μελέτη που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Proceedings of the National Academy of Sciences επικεντρώνεται στα πλαστικά, η διασύνδεσή της με την αεροδιαστημική είναι σαφής. Τα διαστημικά συστήματα απαιτούν υλικά που να παραμένουν αξιόπιστα σε ακραία περιβάλλοντα.
«Είτε πρόκειται για ένα επαναχρησιμοποιήσιμο εξάρτημα πυραύλου, είτε για ένα καταφύγιο στον Άρη, χρειαζόμαστε υλικά που να είναι ανθεκτικά σε όλο τον κύκλο ζωής τους», δήλωσε ο Αθανασίου.
Οι ίδιες αρχές θα μπορούσαν μια μέρα να απαντήσουν στην «LunaRecycle Challenge» της NASA (διαγωνισμού ανακύκλωσης με επίκεντρο τη Σελήνη), όπου τα απόβλητα θα μπορούσαν να επαναχρησιμοποιηθούν σε υποδομές επιβίωσης.
Η ομάδα σχεδιάζει να επεκτείνει την προσέγγισή της και σε άλλα πλαστικά, να τα συνδυάσει με πιο οικολογικές ‘κόλλες’ και να διερευνήσει τις δυνατότητές τους για κατασκευές εκτός Γης, αποδεικνύοντας ότι η δύναμη της φύσης, που τελειοποίησε τα κοχύλια στον ωκεανό, θα μπορούσε να βοηθήσει στην επίλυση των προβλημάτων που δημιουργούν τα απόβλητα στη Γη και πέρα από αυτήν.
«Ακολουθούμε τη φιλοσοφία της φύσης και χτίζουμε ένα μέλλον όπου τα απόβλητα γίνονται το δομικό στοιχείο της επιβίωσής μας», καταλήγει ο Έλληνας επιστήμονας.
Ποιος είναι ο Χρήστος Αθανασίου
Ο Χρήστος Αθανασίου είναι Επίκουρος Καθηγητής στη Σχολή Αεροδιαστημικής Μηχανικής Daniel Guggenheim του Georgia Tech, όπου ηγείται του Εργαστηρίου Daedalus. Κατέχει διδακτορικό στη Φωτονική από την Ομοσπονδιακή Πολυτεχνική Σχολή Λοζάνης (EPFL) και έχει διενεργήσει μεταδιδακτορική έρευνα στη Σχολή Μηχανικών του Πανεπιστημίου Brown και αργότερα στο Πανεπιστήμιο Brown και στο MIT Media Lab.
Η αποστολή του εργαστηρίου του είναι να προωθήσει τη θεμελιώδη κατανόηση της μηχανικής και της φυσικής των υλικών για την αντιμετώπιση των παγκόσμιων προκλήσεων στον τομέα της ενεργειακής πρόσβασης και μετάβασης, στην αποδοτικότητα των πόρων και στη βιώσιμη ανάπτυξη.
{https://www.youtube.com/watch?v=3MJPggM3s_Y}
Το έργο του ενσωματώνει προηγμένες πειραματικές μεθόδους, που καταγράφουν τη συμπεριφορά των υλικών υπό ρεαλιστικές συνθήκες λειτουργίας, ορθολογικές αρχές σχεδιασμού βασισμένες στη μηχανική και προσαρμοσμένη μοντελοποίηση με γνώμονα την τεχνητή νοημοσύνη και τη φυσική. Μαζί, αυτά τα βασικά στοιχεία επιτρέπουν την ανάπτυξη μιας νέας γενιάς πλαστικών σύνθετων υλικών και δομών με αποδοτικότητα ως προς τον κύκλο ζωής, σχεδιασμένων για απαιτητικές εφαρμογές που κυμαίνονται από βιώσιμες συσκευασίες χαμηλού κόστους έως μη επανδρωμένα οχήματα και διαστημικές κατασκευές.
Ο Δρ Αθανασίου έχει τιμηθεί με το βραβείο NSF CAREER και το βραβείο ASME Orr Early Career Award. Η έρευνά του έχει αναδειχθεί από τα Forbes, The Weather Channel, WSB-TV και από άλλα μέσα μαζικής ενημέρωσης, ενώ έχει δώσει ομιλία και στο TEDx Atlanta.
