Природа, космос и война: кто, как и зачем перерабатывает отходы в материалы для 3D-принтеров

По данным РБК среднестатистическая российская семья из четырех человек производит около 400 кг бытового мусора в год, из них около 150 кг – пластиковые отходы. Еще сто кило приходится на макулатуру. Где заканчивается жизнь всего этого добра, рассказывать не будем, ведь все и так видели грязные водоемы и наслышаны о Волоколамске. Вместо этого предлагаем взглянуть на несколько серьезных и необычных примеров переработки всевозможных отходов в материалы для 3D-принтеров.

Электронные мусорщики Австралийский Университет Нового Южного Уэльса запустил экспериментальный проект по утилизации электронного мусора – сортировочный и перерабатывающий центр SMaRT (Sustainable Materials Research and Technology). Небольшое предприятие максимально автоматизировано: роботы-манипуляторы помогают людям разбирать всевозможные устройства и сортировать мусор, начиная со старых телефонов и заканчивая отработавшими свой век ноутбуками. «Наша микрофабрика по переработке электронного мусора является примером эффективного решения одной из главных экологических проблем нашего времени и при этом создания новых рабочих мест. Такие микрофабрики могут перерабатывать отходы прямо в местах скопления и производства мусора, тем самым не только помогая местному бизнесу и жителям решать проблему утилизации, но и создавая новые возможности получения дохода за счет реализации ценных вторичных материалов», – рассказывает глава центра SMaRT, профессор Вина Сахажвалла. После сортировки из компонентов выжимаются все «полезные соки» – медь и олово из плат, стекло и пластик из корпусов и дисплеев и так далее. Полимерные отходы можно отправить на переработку в материалы для 3D-принтеров. Что самое важное, снижается нагрузка на экологию, ведь в электронном мусоре нередко присутствуют токсичные материалы, например тяжелые металлы. Одна микрофабрика занимает какие-то пятьдесят квадратных метров, а все оборудование легко транспортируется с место на место. Мощности разбиты на отдельные «модули» – сортировочные и перерабатывающие, включая экструдеры филамента и печи для переплавки металлов. В год человечество производит свыше 40 миллионов тонн электронного мусора, так что работы хватит надолго.

Упал, отжался, напечатал Уж кто поневоле производит горы пластикового мусора, так это военные. Для примера возьмем Сухопутные войска США: базовая дневная норма потребления питьевой воды для одного военнослужащего весом 68 кг – 3,32. В сухом, жарком климате добавляем 0,47 литра в день. Высокая физическая нагрузка? Вливаем еще почти поллитра. Итого: 4,27 литра в сутки. Если же живительная влага поставляется в полулитровой таре, получаем 8-9 пустых пластиковых бутылок в день, и это на одного солдата! А из чего изготавливаются такие бутылки? Из полиэтилентерефталата (ПЭТФ) – материала, прекрасно поддающегося вторичной переработке. То же касается и полипропилена, используемого в производстве крышек. Американские военные давно присматриваются к 3D-печати, исследуя возможность аддитивного производства дронов, обвесов, пайков, всевозможных бытовых вещей, ремонта кораблей и оборудования в открытом море и даже изготовления гранатометов и аддитивного строительства бараков. Армия и Корпус морской пехоты США уже несколько лет испытывают полевые фаблабы – контейнеры, оснащенные генераторами и всевозможным оборудованием, включая 3D-принтеры. Сотрудники Научно-исследовательской лаборатории армии США (ARL) уверены, что переработка пластикового мусора в материалы для 3D-печати поможет снизить колоссальные логистические издержки, так что в скором времени армейские фаблабы будут оснащены шредерами и экструдерами филамента. Хотя прутки из вторичного сырья и демонстрируют пониженные физико-механические характеристики, эксперименты военных исследователей показывают, что 3D-печатные детали из переработанного ПЭТФ в целом не уступают по прочности аналогам из «свежего» АБС-пластика, что вполне удовлетворительно. «Диапазон потенциального применения аддитивных производственных технологий весьма широк – от прототипов и временных запасных частей до авиационных компонентов и медицинских имплантатов. Перерабатываемые полимеры зачастую демонстрируют наличие всяческих добавок, наполнителей и красителей. Даже технология производства одного и того же пластика может отличаться в зависимости от изготовителя. Большинство используемых в FDM/FFF 3D-печати полимеров выдерживают нагрузки в пределах 30-100 МПа. Переработанный ПЭТФ дает прочность на разрыв порядка 70 МПа, а потому вполне подходит в качестве материала для 3D-печати», – рассказывает научная сотрудница ARL Николь Зандер.

Туалетная 3D-печать с космическим размахом А вот самые необычные варианты переработки демонстрируют ученые, работающие в области пилотируемой космонавтики. Да-да, речь идет не просто о переработке, а повторном использовании отходов человеческой жизнедеятельности. Отходы, как известно, бывают жидкие и твердые, причем и те и другие могут служить источником пригодных для 3D-печати биополимеров. Например, исследователи из американского сельскохозяйственного Университета Клемсона перерабатывают мочу и углекислый газ в воду, биопластики и жизненно важные омега-3 жирные кислоты с помощью дрожжей Yarrowia lipolytica. Дрожжи питаются фильтратом мочи, содержащим высокую долю азота, и потребляют кислород, при этом производя и накапливая полигидроксиалканоаты (ПГА) – разновидность биополимеров.Канадские коллеги из Университета Калгари занимаются уже твердыми отходами. Исследования ведутся студенческой командой, в декабре прошлого года отмеченной золотой медалью некоммерческим научным фондом в области биоинженерии iGEM (International Genetically Engineered Machine) и обогнавшей более трех тысяч претендентов на престижную награду. Есть правда одно маленькое «но»: в своих опытах молодые ученые использовали не настоящее сырье, а сертифицированный научным руководством NASA симулятор – смесь из дрожжей, целлюлозы, арахисового масла и пасты мисо.«Вообще-то, мы пытались использовать натуральный «продукт», но из-за запаха не могли загнать научную команду в лабораторию», – смеется студентка четвертого курса машиностроительного факультета Алина Кунитская. «Длительные космические полеты, такие как трехлетние марсианские экспедиции, бросают серьезные вызовы. Транспортировка материалов будет сложным и дорогим делом, при этом невозможно угадать, какие именно детали и инструменты понадобятся в полете. Другая проблема заключается в переработке отходов».Космические туалеты в принципе схожи по устройству с авиационными – это вакуумные системы, хранящие отходы в септике. Исследователи предложили добавлять в баки специальные бактерии, способные перерабатывать накапливаемые экскременты в биопластик. Процесс разбит на два этапа: сначала масса ферментируется с выделением так называемых «летучих» или короткоцепочечных жирных кислот (VFA). VFA, в свою очередь, фильтруются в другой бак, заселенный генетически модифицированными бактериями кишечной палочки, поедающими VFA и производящими полимер изомасляной кислоты под названием «полигидроксибутират» – один из упомянутых выше вариантов полигидроксиалканоатов. Полученный биопластик можно перемолоть в мелкодисперсный порошок и использовать в качестве расходного материала для лазерных спекающих 3D-принтеров (SLS). Проект получил остроумное рабочее название «From colon to colonies» («Из кишечника – колониям»), а полный доклад исследовательская команда на днях опубликовала по этой ссылке.

А у вас есть интересные новости? Поделитесь с нами своими разработками, и мы расскажем о них всему миру! Ждем ваши идеи по адресу news@3Dtoday.ru.