Podczas odbywających się na świecie paneli dyskusyjnych, konferencji i kongresów dotyczących cywilizacyjnych wyzwań, którym będziemy musieli stawić czoła w niedalekiej przyszłości kwestie związane z rozwojem aglomeracji miejskich są stałym punktem programów tego typu spotkań. Jak wyglądać będą zatem miasta przyszłości, pytamy, zaznaczając, iż nie chodzi nam o futurystyczne wizje rodem z Blade Runnera, czy Jetsonów? Stawiane pytania dotyczą minimalizacji wpływu funkcjonowania miasta w kontekście zasobów naturalnych oraz szeroko rozumianego środowiska.
Ekologiczne miasta – funkcjonalne i zrównoważone
Miasta przyszłości mają realizować ideę zurbanizowanych ekologicznych systemów, energetycznie oszczędnych i wydajnych, zasilanych z odnawialnych źródeł, stosujących innowacyjne rozwiązania w zakresie transportu, usług administracyjnych, ochrony zdrowia, w których konsumpcja i produkcja realizowane są w oparciu o koncepcje gospodarki w obiegu zamkniętym. Korki, smog, odpady, ścieki, infrastruktura mieszkalna, handlowa usługowa i administracyjna – to obszary już dziś stawiające wyzwania przed urbanistami przyszłych miast.
Transport
Szacunki pokazują, iż do roku 2050 nawet 70-80% ludności świata będzie żyło w miastach. W tym kontekście wyzwaniem staje się na pewno miejski transport. Teleportacja i autonomiczny transport powietrzny pozostają na razie w domenie science fiction. Jednak rezygnacja z prywatnych samochodów spalinowych na rzecz publicznych pojazdów elektrycznych już teraz wydaje się nieunikniona. Zakłada się, iż rozwiązaniem wciąż znajdującym zastosowanie będzie szybka kolej podziemna – stare dobre metro. Niestety urzeczywistnienie tego rodzaju projektów jest na ogół czasochłonne i kosztowne, a ich realizacje często przekraczają planowane budżety, przez co jeszcze bardziej mogą rozciągać się w czasie. Są to jednak trwałe i zrównoważone elementy infrastruktury miejskiej, służące efektywnie przez długie lata, dlatego ciągle warte rozwijania i modernizacji. Elektryczne (być może autonomiczne) podziemne pociągi zasilane energią pochodzącą ze źródeł odnawialnych doskonale wpisują się ideę eko-miast przyszłości. Ich rola w procesie rozładowania ulicznych korków, a tym samym redukcji emisji spalin i zasnuwającego miasto smogu to dodatkowe korzyści występujące w kontekście zmniejszenia negatywnego wpływu środowiskowego.
Nie bez znaczenia w procesie przesunięcia środka ciężkości w kierunku transportu publicznego będą przedsięwzięcia promujące zmianę stylu życia mieszkańców i popularyzujące komunikację miejską (także ruch rowerowy oraz pieszy). Oczywiście działania na rzecz dostępności do infrastruktury transportu publicznego, jej wysoka wydajność, wygoda, niskie koszty przejazdów oraz bezpieczeństwo pasażerów to dodatkowe czynniki wpływające na atrakcyjność tego rodzaju komunikacji, które będą musiały podlegać procesom rozwoju i dostosowania do zmieniających się warunków zewnętrznych.
Materiały budowlane
Miasto to oczywiście budynki. Mieszkalne, handlowe, usługowe, przemysłowe, administracyjne. Budynki funkcjonalne, zaawansowane pod kątem wykorzystywanych materiałów i zastosowanych technologii, ale przede wszystkim mniej kosztowne ekologicznie, innymi słowy: budynki środowiskowo neutralne.
Drewno prefabrykowane
Na świecie powstają już wieżowce wykorzystujące prefabrykowane materiały drewnopochodne – drewno klejone oraz płyty laminowane. Elementy tego typu są równie wytrzymałe konstrukcyjnie jak beton i stal. Według szacunków granicą technologiczną w kontekście wysokości budynków wykonanych z drewna jest poziom 15. piętra, co powinno nawet w przyszłości odpowiadać potrzebom dużej części rynku. Pod względem kosztów już dziś wieżowce drewniane zbliżają się do tych budowanych z betonu i stali, a perspektywy są bardzo obiecujące.
Powrót do drewna podyktowany jest opracowaniem nowych technologii jego masowego przetwarzania, które z kolei powstały w odpowiedzi na konieczność redukcji śladu węglowego; drewno to jedyny budowlany materiał odnawialny, materiał wzrastający na plantacjach.
Już teraz rynek budynków wykonanych z klejonego drewna rozwija się obiecująco (np. w Australii). Proces klejenia drewna jest wciąż modernizowany w kierunku redukcji energii potrzebnej w trakcie produkcji prefabrykatów (np. kleje szybkoschnące). Odpowiednie technologie pozwalają z kolei jak najbardziej efektywnie wykorzystać surowiec jakim są pnie drzew. Czy to materiał zrównoważony? Oczywiście drewno przechwytuje i przechowuje węgiel – w okresie swego wzrostu drzewa plantacyjne będą pochłaniać CO2, zaś po wyrębie magazynować węgiel zgromadzony w okresie wegetacji. Ale wyrąb i proces produkcji emitują gazy cieplarniane, a złe zarządzanie plantacjami może zmniejszać bioróżnorodność takich obszarów, tak więc wszystko zależy od wdrożenia właściwych metod postępowania.
Powierzchnie hydrofobowe i antybakteryjne
W mieście będą dominować wieżowce. Wieżowce, których elewacje wykonane będą prawdopodobnie w dużej mierze ze szkła. Utrzymanie ich w czystości to wielkie wyzwanie już dzisiaj. Pomysł pokrycia powierzchni szyb powłoką hydrofobową nie jest specjalnie oryginalny, występuje w naturze, a przykładem niech będzie liść lotosu. Powłoka taka odpycha wodę, która spływając bez śladu pochłaniać może wszelkie drobiny zanieczyszczeń pozostawiając powierzchnię suchą oraz czystą. W ten sposób pokryte powierzchnie nie będą wymagały mycia, przy czym powłoki tego rodzaju będą mogły być wykorzystywane w przypadku wielu rodzajów materiałów, nie tylko elewacyjnego szkła. To znaczne obniżenie kosztów utrzymania miejskich budynków. Powierzchnie będą czyste, ale także trwalsze; oszczędzamy więc nie tylko pieniądze, ale i zasoby.
Innym pomysłem są antybakteryjne powłoki opracowywane z wykorzystaniem nanomateriałów. Pomysł zastosowania tego rodzaju rozwiązań uświadomiła konstruktorom budynków pandemia covid 19 i konieczność zapobiegania rozprzestrzenianiu się infekcji. Pomysły takie będą realizowane w kontekście dbałości o stan zdrowia, utrzymania bezpieczeństwa i wysokiego poziomu życia mieszkańców miast.
“Zielony” beton
Do budowy wykorzystywany jest i będzie przede wszystkim beton. Ten tradycyjny materiał posiada jednak duży ślad węglowy powstający m.in. podczas produkcji cementu. Alternatywą dla betonu na bazie cementu może stać się beton geopolimerowy zwany “zielonym”. Ten materiał może zmniejszyć ślad węglowy w stosunku do tradycyjnego betonu o połowę (a według niektórych szacunków nawet o ⅔). Beton “zielony” powstaje podobnie jak ten tradycyjny. Jednak do jego produkcji można wykorzystywać odpady: żużel (uboczny efekt produkcji stali) i popiół lotny z przemysłu węglowego. Największa innowacja ma jednak swe chemiczne źródło. Za wysoki ślad węglowy tradycyjnego betonu odpowiada cement portlandzki zawierający klinkier czyli wapień wypalany w piecach uwalniających podczas tego procesu duże ilości dwutlenku węgla. “Zielony” beton nie wymaga wypalanego wapienia (którego zasoby zresztą wyczerpują się) podczas produkcji cementu. Potrzebny jest chemiczny aktywator działający nawet w temperaturze pokojowej. Cement powstaje zatem bez udziału wypalania z wykorzystaniem wysokich temperatur (brak emisji CO2). Odpady plus usunięcie z produkcji wapienia powoduje, że “zielony” beton staje się w pełni ekologicznym materiałem budowlanym. W dużych projektach wykorzystywany jest na razie sporadycznie, jednak testy przebiegają obiecująco.
Innym pomysłem może być wykorzystanie zamiast cementu materiałów wzmacnianych włóknem drzewnym, tzw. nanocelulozą.
Szkło
Trwają prace nad możliwością wykorzystania znacznie cieńszych tafli szkła o lepszych właściwościach termoizolacyjnych (oszczędność surowców i energii) we wszelkich przeszklonych elementach elewacji budynków. Komfort mieszkańców ma podnosić możliwość regulacji stopnia przepuszczalności światła przez szyby wykonane z tego rodzaju materiałów.
Energia – OZE
Wśród rozwiązań w obszarze produkowania energii popularne mogą stać się elementy budynku, których funkcją będzie również generowanie energii. Trwają pracę nad specjalnymi szybami, foliami, a nawet farbami pokrywającymi różne elementy konstrukcyjne, które stanowić będą rodzaj panelu fotowoltaicznego. Wśród obiecujących nowych materiałów do produkcji ogniw solarnych nowej generacji znajdują się perowskity, minerały zbudowane z nieorganicznych związków chemicznych, a także nanotechnologia wykorzystująca cząstki węgla zamiast krzemu. Projekty tego rodzaju powstają w ramach realizacji obiektów energetycznie niezależnych od miejskich sieci przesyłowych. W tym samym charakterze są pomysły zastosowania turbin wiatrowych będących konstrukcyjnymi elementami budynków.
Komplementarne w stosunku do tego rodzaju systemów są rozwiązania magazynujące wygenerowaną energię. Zgromadzona energia jest wykorzystywana w czasie gdy nie może być produkowana, bądź w okresie zwiększonego zapotrzebowania. Jest to element energetycznej samowystarczalności budynku podnoszący także jego opłacalność.
Skrajnym przypadkiem zastosowania odnawialnych źródeł energii oraz jej magazynów wkomponowanych w konstrukcję budynku są projekty zeroemisyjne – samowystarczalne energetycznie systemy (oszczędne), pozostające emisyjnie neutralne (ekologiczne) i przez to także wyjątkowo atrakcyjne pod względem kosztów.
Zbiorniki wodne
Głębokie zbiorniki wodne pod budynkami mogą służyć jako systemy stabilizujące temperaturę wewnątrz obiektów, pełniąc istotne funkcje w obwodach pomp ciepła. Zimą oddając zakumulowaną energię, latem pełniąc rolę energochłonnej klimatyzacji, systemy takie obniżać mogą zużycie energii, a co za tym idzie minimalizować negatywny wpływ środowiskowy.
Hydroceramika
Prace nad tego rodzaju materiałami realizowane są w kontekście oszczędności energetycznych i podnoszenia komfortu życia mieszkańców. Materiały ceramiczne nasączone hydrożelem mają zdolność absorpcji wilgoci z otoczenia. Podczas gorących dni woda ulega odparowaniu schładzając wnętrze budynku. Technologie takie mogą stanowić pewną alternatywę dla zasilanych energią elektryczną systemów klimatyzacyjnych.
Izolacja
Redukcja energii cieplnej wyciekającej z wnętrza budynków to jedno z podstawowych wyzwań dla technologów opracowujących nowe rodzaje materiałów. Prace nad tanimi i prostymi w zastosowaniu izolatorami ograniczającymi straty energii trwają. Obiecujące są tutaj tzw. aerożele, które mogą redukować nie tylko straty na elementach konstrukcyjnych, ale także przeszklonych fragmentach elewacji budynków.
Oświetlenie
Miasta potrzebują światła. Energia elektryczna spożytkowana na obsługę systemów oświetleniowych stanowi dużą część jej ogólnej produkcji. Pomysł wykorzystania światła słonecznego do oświetlania miejsc, w których zawsze jest ciemno (piwnice, tunele, stacje metra) wydaje się niezwykle ciekawy. Technologicznie oparty jest na kolektorach skupiających widzialne światło słoneczne i światłowodach je transmitujących.
Zastosowanie tzw. “hybrydowego światła słonecznego”, zgodnie ze swoją nazwą, to pomysł komplementarnego wykorzystania światła sztucznego proporcjonalnie do ilości dostępnego światła naturalnego (słońce jest nieciągłym źródłem energii). Choć analizy i szacunki wykazują niski wpływ tego typu rozwiązań na ograniczenie emisji CO2, technologia warta jest zainteresowania ze względu na korzystne oddziaływanie światła słonecznego na samopoczucie osób przebywających w przestrzeni wykorzystującej ten rodzaj oświetlenia.
Woda
Tzw. mała retencja stosowana jest obecnie z powodzeniem w domach jednorodzinnych. Wykorzystanie tego rodzaju systemów w miastach pozwoliłoby efektywnie zagospodarować wodę opadową (deszczówkę) oraz wodę szarą (ścieki wolne od fekaliów), przyczyniając się do oszczędności w obszarze miejskiej gospodarki wodnej.
Powietrze
Budynki obsadzone zielenią rosnącą na dachach i tarasach, jak i rośliny wkomponowane w elewacje (z odpowiednimi systemami nawadniania będącymi integralnym elementem budowli) mogą pozwolić zwiększyć absorpcję CO2, poprawiając tym samym jakość miejskiego powietrza.
Taka roślinność może być również elementem systemów schładzających tzw. “miejskie wyspy ciepła”. Zielone dachy, dzięki parowaniu roślin, mogą obniżać temperaturę powietrza przyczyniając się do redukcji temperatury na Ziemi, ale przede wszystkim pełnić rolę klimatyzatora dla przestrzeni miejskiej. Zielone dachy będą również zbierały deszczówkę i brały udział w filtracji zanieczyszczeń spadających wraz z deszczem (bakterie w glebie). Optyczna zmiana charakteru miejskiego krajobrazu to kolejna z funkcji tego typu realizacji.
Systemy filtracji powietrza
Specjalne systemy filtracji powietrza z zanieczyszczeń (pyły, CO2) w swych prototypowych wersjach już działają. Takie konstrukcje mogłyby stanowić integralną część nowoprojektowanych budynków lub być umieszczane na budynkach już istniejących, pracując w ramach oczyszczania miejskiego powietrza.
Hałas
Materiały i technologie budowlane powinny charakteryzować się dobrą izolacją akustyczną. Hałas jest bardzo istotnym elementem zanieczyszczenia przestrzeni miejskiej. Izolacja akustyczna (także wewnętrzna) może również podnosić komfort cieplny w budynku.
Koncepcje
Podejście określane terminem “less waste”
polega na wykorzystaniu przy konstrukcji budynku możliwie największej ilości elementów z odzysku. To swoisty reusing materiałów rozbiórkowych. Ilość nowych materiałów zostaje w takim projekcie zminimalizowana, co wpływa zarówno na obniżenie śladu węglowego, jak i oszczędności finansowe.
Pomysłem na obniżenie kosztów budowy mogą być także konstrukcje budynków powstające w technologii druku 3D. Takie realizacje już istnieją.
Powrót do jednej z idei jaką reprezentowała jednostka mieszkalna Le Corbusiera realizowany jest w koncepcji “miasta piętnastominutowego”. W projektach tego rodzaju odpowiednia organizacja przestrzeni ma zapewniać realizację większości podstawowych potrzeb mieszkańca w obszarze wyznaczonym 15-minutową podróżą. W tę koncepcję wpisują się wielofunkcyjne budynki zawierające przestrzeń mieszkalną, biurową, usługową i wypoczynkową. Tego rodzaju zabiegi ograniczyłyby konieczność przemieszczania się w przestrzeni miejskiej oszczędzając czas, rozładowując korki i minimalizując emisję zanieczyszczeń generowanych przez prywatny transport.
Systemy typu “smart” pozwalają efektywniej zarządzać parametrami mieszkania w budynku: ogrzewaniem, zużyciem energii, wilgotnością itp. Pozwalają zatem na większy komfort życia, oszczędność i efektywniejsze wykorzystanie zasobów. Bezpieczeństwo mogłyby zwiększać systemy biometrycznego rozpoznania (dyskusyjne pozostają tutaj kwestie prywatności i wolności osobistej). Urządzenia komunikujące się ze sobą i z budynkiem w ramach Internetu Rzeczy to rozwiązania z obszaru logistyki, zwiększające komfort i oszczędzające czas, usprawniające działanie systemów w ramach których pracują.
Futurystyczne wizje
Należą do nich wszelkiego rodzaju systemy samodiagnostyczne i samonaprawiające swoje uszkodzenia. Na razie brak zaawansowanych rozwiązań tego rodzaju, niemniej jednak elementy takie będące częścią miejskiej infrastruktury znacznie usprawniłyby jej funkcjonowanie. Autonomiczny transport powietrzny zasilany energią odnawialną to także element tego typu wizji.
Systemy miejskiej infrastruktury potrzebują wielu technologii, nowych materiałów i pomysłów ze sobą współdziałających, tak aby sprostać wymogom ekomiasta przyszłości. Oprócz samych technologii kluczowe będą oczywiście odpowiednie poziomy kosztów ich wdrożenia oraz stosowne regulacje administracyjno-prawne. Które z wymienionych koncepcji i projektów będą realizowane w naszych miastach…?
W opracowaniu wykorzystano materiały:
Raport Polskie Miasta Przyszłości 2050, Grupa Saint-Gobain w Polsce.
Ekomiasta przyszłości, reż. Poppy Stockell, abc.net.aul/catalyst 2020.
