混凝土是世界上使用量第二大的材料，仅次于水。占全球碳排放量的约 8%仅来自水泥的制造，而水泥是混凝土的关键成分。这种巨大的影响也带来了巨大的机会，创新的新材料和设计方法可以显著减少建筑物的碳足迹。

来自魏茨曼建筑学院和宾夕法尼亚工程学院的多学科研究团队正在努力开发“3D打印碳吸收碳储存混凝土结构”，这是一种新的建筑系统，可以在混凝土结构的各个方面减少碳排放。它将减少隐含碳（用于生产材料、运输材料和建造建筑物的能源）和运营碳（加热和冷却建筑物所需的能源）。他们的计划是让全球的建筑商轻松获得它。

研究团队表示，为了实现负碳建筑，必须考虑建筑功能的多个方面，包括查看减少隐含碳的材料量、用于碳捕获的混凝土混合物以及减少能源使用的运营绩效。

研究团队开发的碳吸收和储存系统的效果图

他们的目标是找到最有效的几何形状，以最大限度地减少所需材料的数量，从而减少隐含碳和建筑垃圾。此外，该团队正在探索柱子、梁和板的理想形状，这些形状可以产生热质量来被动加热和冷却内部。在此过程中，他们正在创建具有非常大表面积的几何形状，这有助于从空气中吸收更多的碳，同时产生更多的温度调节，并且无需持续使用能源来调节建筑物。

宾夕法尼亚工程学院材料科学与工程系主任 Shu Yang 正在开发一种碳吸收和储存混凝土。Yang 的新配方将从空气中去除碳，并在制造过程中捕获碳。该团队正在寻求开发一种新的混合物，部分替代水泥，以实现最佳的碳减排效益和热性能。该项目是Shu Yang在亲自然设计和工程中的一个工作延伸，寻求更有效且能源密集度更低的解决方案，包括可以从空气中吸水的材料。

为了最大限度地减少材料使用和最大化表面积，该团队正在开发新配方的具体原型以及各种设计方案。高效的 3D 打印组件和后张技术减少了所需的建筑材料数量和产生的废物。优化的自支撑设计以最少的启动和停止生成。

该团队由首席研究员 Masoud Akbarzadeh 领导，他是 Weitzman 建筑学副教授兼多面体结构实验室 （PSL）和共同研究员 Dorit Aviv，他是热架构实验室 （TAL） 的负责人。

2022 年，他们从美国能源部高级研究计划署能源部 （ARPA-E） 获得了 240 万美元的资金，作为其利用排放到从大气中吸收碳的结构 （HESTIA） 计划的一部分，该计划支持碳汇的研究，或从大气中吸收的碳多于施工过程中释放的碳的建筑物。从那时起，他们一直在探索如何优化由新型碳吸收混凝土混合物制成的结构系统，这种混凝土混合物将捕获碳并从空气中去除碳。

这项目由来自德克萨斯 A&M 大学、纽约城市学院、费城建筑公司 KieranTimberlake 和世界上最大的建筑材料制造商之一Sika的研究人员协作进行。由建筑师和工程师组成的多机构团队反映了该项目的雄心壮志，即在建筑过程的所有方面寻求对典型基准的改进：结构系统、混凝土配方、施工方法、制造工艺和生命周期评估，包括材料生产、运输、施工和 100 多年来的热性能中的碳使用。

Dorit Aviv 是宾夕法尼亚工程学院建筑系的一名教员，领导热建筑实验室 （TAL），她和一组学生正在探索被动加热和冷却设计策略，以减少运营能源的使用。他们正在努力了解 PSL 设计的混凝土板原型如何充当热质量，在与自然通风相结合时提供舒适的室内温度。打印混凝土表面积的增加不仅有助于从大气中封存更多的碳，而且还增加了热量的吸收和释放，使板的热质量更加有效。

魏茨曼建筑学院研究人员在混凝土的3D打印过程中嵌入温度传感器，以便通过实验评估板在气候室中的性能。

TAL 团队在一个特殊的气候室内测试房间规模的板模型。当打印的混凝土固化时，他们在内部放置传感器来指示板内的内部温度，并使用计算流体动力学和能量建模来预测不同板设计的性能并提出改进建议。

3D打印碳吸收碳储存混凝土结构的早期版本于 2023 年作为 Diamanti 首次向公众展示，这是意大利威尼斯 Palazzo Bembo 的大型原型，作为威尼斯建筑双年展期间时空存在展览的一部分。（Diamanti 在意大利语中是 Diamonds 的意思，这是系统的基本几何形状）。

最终，Akbarzadeh 的目标是将这些创新作为预制的3D打印梁和带肋的地板拱门引入建筑市场。他的实验室的工作不仅限于重新构想混凝土。PSL 还在开发使用玻璃作为一种新型轻质结构材料，以优化性能并增加结构跨度。11 月，Akbarzadeh 和他的团队计划在纽约康宁玻璃博物馆推出原型。