La fibra di carbonio potrebbe diventare il supereroe dei materiali da costruzione?

Come ogni giorno lavorativo, orde di persone brulicano freneticamente per le strade del distretto degli affari “Loop”, nel centro di Chicago, come mandrie di antilopi selvagge in fuga da un predatore. In molti passano velocemente di fianco al Field Building, senza considerare il valore di questo edificio. Lo stesso accade con l’Home Insurance Building, il grattacielo che una volta sorgeva nello stesso punto, prima di essere demolito nel 1931. Costruito nel 1884, l’Home Insurance Building fu il primo edificio a essere costruito su un telaio in acciaio strutturale: un materiale leggero, conveniente e duraturo che permetteva di costruire strutture più alte, più resistenti e in tempi più brevi rispetto alle strutture in legno o pietra.

Ritenuto il primo grattacielo al mondo, l’Home Insurance Building ha cambiato definitivamente il corso dei settori dell’architettura, dell’ingegneria e dell’edilizia, dimostrando la possibilità di impiego dell’acciaio come materiale da costruzione e della struttura portante in acciaio come tecnica costruttiva. Nonostante la sua altezza di soli 10 piani (42 metri), questo edificio rappresenta il precursore di tutti i grattacieli costruiti successivamente, tra cui il Burj Khalifa di Dubai, che con i suoi 206 piani e gli 800 metri di altezza, al momento è l’edificio più alto del mondo.

A distanza di oltre 130 anni, l’acciaio e le strutture portanti in acciaio continuano a dominare il settore dei materiali da costruzione. Tuttavia, con le innovazioni dei materiali compositi e l’impiego di tecnologie robotiche si potrebbe assistere presto all’avvento di un nuovo sovrano. Se si prendono come riferimento le ricerche in corso nello spazio Autodesk BUILD (Building, Innovation, Learning, and Design) Space di Boston, questa potrebbe rappresentare una svolta altrettanto rivoluzionaria.

Materiali magici

Uno dei materiali compositi più promettenti per il futuro del settore delle costruzioni è la fibra di carbonio. Si tratta di un polimero costituito da filamenti lunghi e sottili di atomi di carbonio uniti in una struttura cristallina, in cui ogni singolo filamento è più sottile di un capello umano. Rispetto all’acciaio, la fibra di carbonio è più leggera, cinque volte più resistente e due volte più rigida. Grazie a tali proprietà, questo materiale è molto amato dai produttori che ne intrecciano i filamenti come fossero filati per creare tessuti o per modellare forme permanenti. Tramite questo processo viene realizzato di tutto: dai telai delle biciclette, le canne da pesca e le ali degli aerei fino alle carrozzerie delle macchine da corsa, le mazze da golf e gli alberi delle barche a vela.

“La fibra di carbonio e gli altri materiali compositi sono altamente performanti. Ciò significa che, nonostante la loro leggerezza, sono capaci di sopportare carichi enormi”, spiega Simon Kim, l’architetto da poco divenuto collaboratore fisso presso lo studio BUILD, responsabile dello studio di architettura e design Ibañez Kim di Cambridge (Massachusetts).

Proprio grazie alle sue proprietà uniche, Kim e altri architetti sono convinti che la fibra di carbonio sia un materiale da costruzione ideale. “I materiali compositi rappresentano un’opportunità davvero interessante per una rapida fabbricazione e personalizzazione degli edifici”, sostiene Kim, aggiungendo che ci vorrebbero solo poche settimane per costruire una piccola casa con fibre di carbonio, a differenza dei materiali tradizionali, con i quali sarebbero necessari mesi. “Con i materiali compositi è possibile creare strutture in tempi molto rapidi senza impiegare troppe risorse in termini di manodopera specializzata e flussi di lavoro, dagli appaltatori generali e subappaltatori ai materiali impiegati. In questo modo, siamo più rapidi nell’esecuzione dei lavori, riducendo la catena di distribuzione e la quantità di materiali impiegati, con una conseguente diminuzione dei costi”.

Grazie alla sua flessibilità e leggerezza, la fibra di carbonio può essere spostata facilmente. “È possibile sollevare i moduli, trasportarli altrove e unirli tra loro per creare strutture più grandi, a seconda delle esigenze”, continua Kim. “Questo dona alle strutture composite una flessibilità notevolmente superiore rispetto alle costruzioni tradizionali nelle quali, anche se non è sempre un aspetto positivo, l’immobilità non si discute”.

Fabbricare il futuro

L’avvento dell’acciaio, da solo, non è bastato a dare vita ai grattacieli. Per sfruttare i vantaggi di questo materiale, infatti, gli architetti hanno avuto bisogno di una nuova tecnica costruttiva: la struttura portante in acciaio. Lo stesso vale per i materiali innovativi come la fibra di carbonio. Il loro potenziale dipende dall’evoluzione dei metodi innovativi di fabbricazione per colmare il divario tra laboratorio e cantiere.

Nel corso delle ultime attività svolte presso il BUILD Space, Kim e i suoi colleghi Ayoub Lharchi e Yencheng Lu, dottorandi presso l’Università di Stoccarda, hanno testato e dimostrato tali metodi. Il loro lavoro fa presagire un futuro in cui le costruzioni con i materiali compositi saranno robuste quanto quelle in acciaio, o per essere più precisi: più robuste.

Dalle sculture alle strutture

Kim ha iniziato a lavorare presso lo studio di Boston nel giugno 2017. Il suo obiettivo è quello di dimostrare che le costruzioni in fibra di carbonio non garantiscono solo una funzionalità, ma anche una forma migliore. I suoi esperimenti, nei quali, per esempio, Kim esamina le proprietà di resistenza di diverse resine al fine di creare compositi in polimeri rinforzati con fibre di carbonio (CFRP), ispirano le installazioni nel mondo reale.

“Con le nostre costruzioni temporanee non vogliamo solo mettere in luce le proprietà delle fibre di carbonio, ma anche come questo materiale abbia una sua bellezza culturale”, spiega Kim, sottolineando le qualità visive e tattili delle strutture in CFRP di “The Forest of Sound”, un progetto finanziato dal centro Pew ed eseguito da Kim insieme al compositore Lembit Beecher per la sua prima mondiale dell’opera da camera Sophia’s Forest. Presentata nel settembre 2017 a Philadelphia, quest’opera consiste in nove “sculture sonore” create da Kim e dal suo team del BUILD Space. Ogni scultura ha le dimensioni di un musicista ed è costituita da un involucro in fibre di carbonio intrecciate che racchiude uno strumento meccanico in grado di creare suoni d’ambiente durante lo spettacolo.

Kim sostiene che, anche se costruite in scala ridotta, le sculture mobili, che ricordano delle ragnatele o dei bozzoli, suggeriscono quale sia il potenziale architettonico delle fibre in carbonio. Kim si immagina un futuro in cui le strutture già esistenti, come i magazzini a temperatura controllata, vengano riqualificati con l’aggiunta di baccelli o capsule in fibre di carbonio. In sostanza, la facciata dell’edificio non subirebbe alterazioni, ma la parte interna potrebbe essere personalizzata inserendo strutture modulari ad uso ufficio o abitativo, create con gli stessi processi e principi impiegati per le sculture sonore di Kim.

“Possiamo costruire nuovi edifici, ma dobbiamo anche affrontare il fatto che ci sono costruzioni datate centinaia di anni che non hanno un futuro”, afferma Kim. “Demolire questi edifici in cemento, mattoni e pannelli di pietra e ricostruirli non è cosa da poco in termini di dispendio energetico e impatto ambientale. Allora perché non li riqualifichiamo e adeguiamo la loro funzione ai tempi moderni tramite “inserti” raffinati, leggeri ed economici?”.

Plasmare il futuro della fabbricazione

Il mondo della natura è pieno di geometrie interessanti, dalle spirali e le sfere fino alle curve e i coni. Il mondo delle costruzioni, però, troppo spesso è caratterizzato da triangoli, cerchi e quadrati. Con l’obiettivo di ampliare la gamma di forme possibili per gli oggetti costruiti, Lharchi e Lu hanno trascorso il loro periodo di attività presso il BUILD Space esplorando il potenziale geometrico dei compositi fibrorinforzati (FRC).

Lharchi è dell’idea che, per riuscire a creare nuove forme geometriche con i compositi FRC, tra cui le fibre di carbonio, di vetro e le fibre di aramide, sia necessario un metodo di fabbricazione efficace. “L’uso migliore delle fibre è per le strutture con grandi campate, per esempio se si vuole realizzare il tetto di uno stadio, evitando che le colonne blocchino lo spazio sottostante”, spiega Lharchi. “Al momento, se si vuole costruire una struttura simile a questa, è possibile ricorrere a una macchina di grandi proporzioni, come quella usata per creare case stampate in 3D, che farei fatica a immaginarmi in loco, oppure un braccio robotico industriale, in cui, però, si sarebbe vincolati alla sua lunghezza. Quello su cui stiamo lavorando è un metodo di fabbricazione che sia pratico per la costruzione di un’unica struttura (FRC) continua di grandi dimensioni”.

“Un metodo di fabbricazione che promette bene per il futuro consiste nei robot a cavo (cable robots)”, spiega Lharchi. Il suo team ha dato prova del potenziale di questi robot a cavo presso il BUILD Space, servendosi di una corda per riprodurre le proprietà comportamentali delle fibre di carbonio.

“Vi è mai capitato di vedere la telecamera mobile sospesa a un cavo (spidercam) allo stadio? Ecco, praticamente è un robot a cavo che sostiene una videocamera”, continua Lharchi, il quale ha sviluppato un sistema con due robot a cavo che lavorano in parallelo, l’uno sopra l’altro. Durante l’attraversamento del cavo, i robot si scambiano tra loro la fibra, tessendola in modo da permettere la formazione di geometrie uniche, dalla sintassi struttura avvolgente. “Ogni volta che dovete creare una struttura ampia e leggera, la fibra rappresenta un’ottima scelta. Spero che, con l’analisi dei metodi di fabbricazione economici e accessibili, riusciremo a far diventare le costruzioni in fibra in loco un metodo tradizionale.