Lavaform­ing

Lavaforming snýst um að nýta stærstu auðlind Íslands, nýtt hraun (basalt) sem byggingarefni á meðan það er enn á bráðnu formi. Hraun sem hefur kólnað býr yfir öllum þeim byggingartæknilegu eiginleikum sem mengandi byggingarefni hafa í dag og sem gerðar eru kröfur um við gerð mannvirkja. Með þessari aðferðarfræði væri hraun sem byggingarefni með 90% lægra kolefnispor en hefðbundin byggingarefni þar sem losun kolefnis við eldgos gerist hvort sem er náttúrulega og er hlutfallslega mun minni en sú mengun sem manneskjan býr til með sinni framleiðslu á efnunum og önnur vinnsla á efninu verður gerð með hita frá núverandi hrauni og rafmagni framleiddu með þeirri orku. Verkefnið snýst um að skoða eiginleika efnisins við mismunandi aðstæður og að skoða aðrar þekktar framleiðsluaðferðir t.d. á basalt trefjum í samhengi við verkefnið. Íslenskt basalt inniheldur einnig málma og steinefni sem hægt væri að þróa sem hluta af byggingarefninu til dæmis tengt styrkingu efnisins sem berandi hluta (járn) og steinefnum eins og kísil sem er notaður í sólarsellur sem dæmi. Hraun gæti þannig orðið "mono-material", eitt efni sem hefur alla þá eiginleika sem þarf fyrir gerð mannvirkja.

Bak­grunn­ur og for­saga

Verkefnið er upphaflega tilgátuverkefni sem s. ap arkitektar ehf eigandi verkefnisins hefur þróað og vinnur nú að ásamt þverfaglegum hópi sérfræðinga og samstarfsaðaðila. Markmið verkefnisins er að segja sögu framtíðarsamfélags sem þróar framsæknar lausnir í mannvirkjagerð. Í sögunni hefur hraunrennsli verið beislað, það nýtt sem byggingarefni og þannig hefur tekist að umbreyta staðbundinni ógn í auðlind í líkingu við það sem íslendingur gerðu með jarðvarma og gufuaflið fyrir meira en 100 árum. Með því að segja sögur af atburðum og lífi fólks í framtíðinni þá getum við séð fyrir okkur hvernig hraunborgir framtíðarinnar gætu litið út, mótaðar úr byggingarefni sem krefst ekki orkuríkrar iðnaðarframleiðslu og menga ekki umfram náttúrulega mengun eldgoss. Markmið verkefnisins er að sjá fyrir heim þar sem hefðbundnum byggingarefnum hefur verið skipt út fyrir staðbundið efni sem kemur uppúr jörðinni óháð afskiptum manneskjunnar. Við teljum mikilvægt að arkitektar sem vinna við að hanna nýjan heim alla daga (byggingar og borgir) taki þátt í að greina og þróa lausnir sem tengjast stærstu áskorunum mannkynsins. Til þess að koma hugmyndum okkar um þessa framtíðarborg á framfæri notum við sögurnar til að útbúa tímalínu sem vísar í fortíð fólksins í borginni, sem er okkar framtíð. Það verður einskonar “back casting” sem hjálpar okkur að skilgreina hvaða rannsóknir og tækniþróun þarf að eiga sér stað til að við getum komist á þangað. Þannig notum við “sci-fi” hugmyndir framtíðarinnar til að skilgreina rannsóknarvinnu okkar í dag. Markmið verkefnisins er að finna aðferðir til að nýta íslenska auðlind á nýjan hátt og með þverfaglegum rannsóknum að skapa tækifæri til rannsókna og þróunar og draga samhliða úr losun gróðurhúsagastegunda við mannvirkjagerð, draga úr innflutningu á hráefnum, draga úr úrgangi og vera fyrirmynd fyrir nýstárlega þverfaglega frumkvöðlavinnu. Við þurfum að breyta kerfum og framleiðsluaðferðum á tímum loftslagsbreytinga. Eitt af aðal markmiðum verkefnisins er að vekja áhuga vísinda- og tæknifólks á þverfaglegum rannsóknum sem tengjast verkefninu og höfum við nú þegar hafið samstarf sem tengist ólíkum vísindarannsóknum.

Ný­sköp­un og sam­fé­lags­leg­ar áskor­an­ir

Margar rannsóknir hafa verið gerðar á eiginleikum fljótandi hrauns sem kemur upp í gosi og eiginleikum mismunandi hrauntegunda eftir storknun. Hraun hefur breytilega eiginleika eftir efnasamsetningu, hraða storknunar,hitastigi, þrýstingi og hvort það gýs undir vatni/sjó. Þessar rannsóknir eru grunnur fyrir okkar verkefni þar sem við skoðum almenna eiginleika fljótandi hrauns og mismunandi hrauntegunda eftir storknun. Við höfum notað þessar rannsóknir til að byggja okkar eigin prófanir og rannsóknaraðferðir á. Nýnæmi okkar nálgunar er að tvinna þessar rannsóknir saman við hönnun og arkitektúr. Við lítum á rannsóknirnar frá sjónarhorni arkitektúrs og þannig sjáum við nýja vinkla og sjónarhorn sem annars hefðu ekki uppgötvast. Hvergi í heiminum hafa verið unnar viðlíka rannsóknir á nýtingu hrauns sem byggingarefni á fljótandi formi og er því nýsköpunargildi rannsóknanna mikið. Tæknileg yfirfærsla á rannsóknum okkar til annara hluta heimsins getur verið tengd hönnun fyrir öfgafullar aðstæður og veðurfar eins og við erum að upplifa um allan heim í tengslum við loftslagsbreytingar. Með verkefninu viljum við einnig hvetja til og efla þverfaglega samvinnu og samhliða finna lausnir á þeim samfélagslegu vandamálum sem upp koma þegar við blasa hamfarir eins og eldgos sem ógna byggðum og innviðum á tímum loftslagsbreytinga eins og nú er að gerast á Reykjanesi. Við erum nú þegar að setja upp varnargarða til að verja innviði okkar og leggja vegi ofaná nýtt hraun. Okkar verkefni snýst um að taka þessa vinnu skrefinu lengra með þverfaglegri vinnu og hönnunarhugsun.

Hag­nýt­ing­ar­gildi og mik­il­vægi

Hraun er samsett efni úr steinefnum og málmum sem til er í ýmsu formi eftir því hvaða áhrifum það hefur orðið fyrir á leið sinni upp á yfirborð jarðar. Þannig er hægt að finna hraun með eiginleika berandi efnis eins og sterkar súlur og steina, yfir í hraun sem er gisið og holótt og getur þannig haft einangrandi gildi en þar eru vikur og gjall gott dæmi. Hraun getur jafnvel verið þunnt og brothætt eins og gler, líkt og hrafntinna. Við vinnu verkefnisins notum við fyrirliggjandi vísindalega þekkingu og rannsóknir á efniseiginleikum hrauns á Íslandi og sem byggja á náttúrulegri kælingu basalthrauns. Með þessu viljum við sýna fram á að með ákveðinni stýringu á kólnun og umgjörð hrauns með eigin orku þá fáum við efni sem við getum notað í mannvirki án viðbótar losunar á kolefnis. Þetta efni getur þá leyst steypu, gler og önnur mengandi byggingarefni af hólmi. Önnur hagnýting og nýsköpun tengt rannsóknarvinnunni er að kanna mismunandi leiðir til að nýta fjölbreytta efnasamsetningu hrauns af málmum og skoða eiginleika þess til dæmis til styrkingar (járn) og rafleiðni, hitasöfnunar (kopar, kísill). Drifkrafturinn á bak við verkefnið eru þau risastóru áhrif mannvirkjagerðar á loftslagsbreytingar og þá sérstaklega byggingarefna. Verkefnið er þannig mikilvægt innlegg í rannsóknir tengt því og ofnotkun á efni og orku á tímum loftslagsbreytinga. Framkvæmd verkefnisins, niðurstöður og ávinningur.

Fram­kvæmd verk­efn­is­ins og nið­ur­stöð­ur

Fram­kvæmd verk­efn­is­ins

Ákveðið var að afmarka verkefnið í samræmi við fenginn styrk og var ákveðið að vinna í öllum skilgreindum verkþáttum en skala þá niður. Aðrir styrkir fengust einnig til verkefnisins en þar sem rannsóknir og verkhlutar eru samofnir gerum við grein fyrir heildarverkefninu sem var unnið í eftirfarandi lýsingum þar á meðal verkþættir styrktir af Aski.

Hluti 1: Efn­is­próf­an­ir og bræðsla á hrauni til að greina hvaða áhrif kæl­ing, mót­un og hita­stig hafa á efn­is­eig­in­leika hrauns þeg­ar það hef­ur kóln­að.

Verkþættirnir voru unnir í samvinnu við Lavashow sem eiga nú þegar bræðsluofna og hafa mikla reynslu af því að bræða hraun. Einnig komu að verkefninu Málmsteypa Þorgríms en þeir hafa langa reynslu af því að útbúa sandmót fyrir verkefni sín sem eru mörg úr járni og Tæknisetur með sína sérfræðiráðgjöf. Gerðar voru bræðslutilraunir, bæði með litlum ferðaofni Lavashow og í stórum ofni þeirra sem þau nota við sýningar í húsnæði sínu. Hraunið sem er notað við bræðsluna eru smáir hraunmolar og sandur frá Vík í Mýrdal. Í okkar tilraunum var bráðnu hrauni hellt í sandmót sem gerð voru af Málmsteypu Þorgríms en þau voru af mismunandi stærð og gerð. Jarðfræðingur Tækniseturs var til ráðgjafar. Niðurstöðurnar voru í stuttu máli þær að hægt er að stýra efniseiginleikum bráðins basalt eftir kólnun með því að stjórna hitastigi, tíma, mismunandi efnissamssetningu og mótun þess. En þetta hefur allt áhrif á niðurstöðurnar.

Nán­ari lýs­ing á rann­sókn­un­um:

Við sniðum verkáætlun að þeim kostnaðarramma sem verkefnið hafði og var því ákveðið að gera efnistilraunir í bræðsluofni Lavashow í stað þess að útbúa eigin ofn, enda þau komin með góða reynslu af þesskonar verkefnum. Einnig var ákveðið að gera tilraunir með þrívíddarprentun úr tilbúnum basaltþræði og sindrun til að auka styrk hlutarins sem var prentaður. Lavashow hefur þróað sína ofna í nokkur ár í samstarfi við Jeffrey Alan Karson eldfjallafræðing sem hefur einnig verið okkur innan handar í verkefninu og hefur sjálfur gert bræðslutilraunir við kennslu í Syracuse háskóla í Bandaríkjunum. Lavashow hefur orðið mikla reynslu af endurbræðslu á hraun og þó að það sé ekki hugmyndafræði verkefnisins okkar að bræða hraun heldur að nota hraun þegar það er náttúrulega á bráðnu formi þá ákváðum við að þessi aðferðarfræði hentaði vel sem fyrsta skoðun fyrir verkefnið. Við náðum að gera bræðslutilraunir bæði í litlum ferðaofni Lavashow en þær gerðum við hjá Málmsteypu Þorgríms sem hefur mikla reynslu af því að vinna með bráðið járn og mótagerð fyrir það. Þeir smíðuðu fyrir okkur mismunandi mót og snerust tilraunirnar um að kæla efnin mishratt í samræmi við rannsóknir sem áður hafa verið gerðar á efniseiginleikum hrauns við kælingu. Fyrstu tilraunirnar voru bræðsla í lítil mót sem voru formuð eins og múrsteinar. Umfang hrauns var um 2-5 lítrar í hverri bræðslu. Niðurstöður þeirra tilrauna eru að við hraða kólnun verður efnið að basalt gleri eða Tachylites sem er mjög stökkt og brotnar auðveldlega. Mögulegt er að vinna meira með glerið, til dæmis að bæta í það perlusteini (perlite) sem inniheldur töluvert af kísil. Það gæti gert hraunglerið glærara og harðara, en einnig væri mögulegt að herða það sérstaklega eftir kólnun. Þannig efni myndi skora á hólm nútíma glerrúður sem eru framleiddar með mikilli orkunotkun og mengandi ferlum.

Við seinni hluta tilraunarinnar voru notuð stærri mót og voru þær tilraunir gerðar í húsnæði Lavashow en notast var við stórann bræðsluofn þeirra við þær tilraunir. Hitastig við bræðslu var mun hærra í seinni tilrauninni en þeirri fyrri auk þess sem notast var við basalt sem hafði hitnað lengur í ofninum og var undir þrýstingi. Mótin voru hringlaga hólkar sem rúma um 10 lítra af fljótandi hrauni. Þrjú mót voru fyllt og voru þau látin kólna mishratt. Þar kom á óvart að það hraun sem kólnaði hægast var á glerformi með lítilli kristöllun en það sem var tekið síðast úr ofninum og hafði hitnað mest kom út með langmesta kristöllun og því styrkur þess á við stein. Ysta lag steinsins var þó basaltgler og því var hólkurinn í þversniði glerkápa með kristölluðum steinkjarna. Næstu rannsóknir munu snúa að því hvort þrýstingur og efnasamsetning hraunsins hafi meira að segja en hæg kólnun þess til að ná fram kristöllun.

Sérfræðingur hjá Tæknisetri gerði greiningar í smásjá á efniseiginleikum hinna mismunandi tilrauna með áherslu á að skoða og bera saman efnin eftir bræðslu og kólnun auk þess að bera þau saman við hraunmola frá eldgosi í Fagradalsfjalli 2022. Hér fyrir neðan má sjá samantekt hans og samanburð á efnissamsetningu hraunsins.

Description of samp­les

All the samples were analysed with a scanning electron microscope (SEM). Prior to the analyses, the samples were polished flat without any scratches. Then, surfaces of the samples were gold coated. Finally, the samples were inserted into the sample chamber of the SEMand analysed with the SEM in a backscatter mode. Images taken indicate the composition of the sample, relatively light areas represent high concentrations of heavy elements like iron and relatively dark areas represents high concentrations of light elements like aluminium. No colour variation indicates no compositional variations.

The following three samples were studied:

Lava Show sample Images were taken of the glass rim, these are images labelled Lava Shown Glass 1 to 4. Image 4 is a blow up of a part of image 3. The glass seems to have fairly even composition. The features seen in the images are mostly conical fractures in the glass. A careful study of the images reviled the existence of few crystals, like in image 3. The crystallized material is shown in images Lava Shown Glass 5 to 8. Image 7 is a blow up of the upper left portion of image 7. The material is made up from clear glass and darker elongated often parallel minerals with swallow type tail. These minerals lie in sort of cris cross pattern. In between individual minerals are lighter interstitial glass. The composition of this assembly was not studied in any details at all, but the dark phase is relatively aluminium and silica rich and the light phase is relatively iron rich and with less silica than the dark phase. The type of the dark minerals is unknown.

Mám­steyp­an glass sample

The glass melted at the Mámsteypan in Garðabæ is very homogeneous glass, with no compositional variations. Two images were taken of the glass, images Glass Mámsteypan 9 and 10. Vesicles are found in the sample, seen in image 10 as black (empty) round features. The vesicles formed when the seashell sand was poured into the furnace and the crucible which contained the sample. The other features in the images are conical fracture in the glass sample.

Sample from Fagra­dals er­uption

The sample is a typical well crystallized lava made up of common primary minerals found in basaltic rocks. Images Fagradalseldar 12 and 13 are taken from the sample collected from the site in Reykjanes peninsula.

Jeffrey Alan Carson og teymi hans við Syracuse háskóla höfðu áður gert bræðslutilraunir með hraun og þá tekið eftir því að þegar berg er hitað upp bráðna efni með lægra bræðslumark fyrst og skilja sig frá, til dæmis járn. Þetta er áhugavert með tilliti til þess að sérstakir málmar og steindir halda efniseiginleika sínum á ákveðnu stigi og þau gætu því nýst til að styrkja efnið, eða nýst sem leiðari fyrir rafmagn, varmafærslu, orkusöfnun eins og í sólarsellum, en þær notast einmitt við silicon sem er til staðar í basalti.

Í tilraunum okkar urðum við einnig vör við að járn skildi sig frá steinefnunum við bræðslu og kælingu. Það er áhugavert að skoða nánar með frekari rannsóknum og þá til dæmis hvort að við getum stýrt járnstrauminum, hvar það rennur og staðsetningum til dæmis með því að nota segla. Þetta verður skoðað í áframhaldandi vinnu við verkefnið. Þetta hvetur okkur áfram til að gera frekari rannsóknir á möguleikum þess sem “mono-material” eða byggingarefni fyrir heil mannvirki sem er eingöngu úr basalthrauni. Næstu skref verkefnisins verða að gera tilraunir á stærri skala og þá með bráðnu hrauni án endurbræðslu

Hluti 2: Þrí­vídd­ar­prent­un með basalti.

Þessi hluti verkefnisins var unninn með sérfræðingum Tækniseturs. Notast var við hefðbundin þrívíddarprentara og basaltþráð með epoxy lími sem íblöndunarefni. Prentaðir voru litlar festingar og voru þær sindraðar af sérfræðingum Tækniseturs. Þær ásamt bræðslutilraunum eru nú til sýnis sem hluti af skúlptúr á sýningu Lavaforming sem er framlag Íslands á Feneyjartvíæringnum í arkitektúr.

Nán­ari lýs­ing á rann­sókn­inni

Í þeim basalt þráðum sem hægt er að kaupa til þrívíddarprentunar er notast við epoxy sem íblöndunarefni og lím. Til að fjarlægja íblöndunarefnið og ná þannig hreinu basalti og til að styrkja efnið þá gerðu vísindafólk Tækniseturs tilraunur með sindrun á þeim hlutum sem voru þrívíddarprentaðir. Við hönnuðum festingar fyrir basalttrefjastangir til að skoða möguleikann á að byggja úr þeim. Festingarnar miðuðust við að hægt væri að nota sömu festinguna fyrir 3 áttir, X, Y og Z. Vegna þröngs tímaramma þá voru takmarkanir á fjölda sindrunatilrauna og misheppnuðust fyrstu tvær en sú þriðja heppnaðist betur. Munum við halda áfram með þessar tilraunir við áframhaldandi vinnu við verkefnið.

Næstu skref þessa verkhluta snúast um að sækja um styrk til að kaupa málmbræðslu þrívíddarprentara í samvinnu við Tæknisetur til að geta prófað að þrívíddarprenta með basalt sandi án allra íblöndunarefna.

Hluti 3: Notk­un hraun­flæði­lík­ana við hönn­un og grein­ing­ar á mann­virkj­um úr bráðnu hrauni

Í dag notast jarðvísindafólk og verkfræðingar mismunandi flæðlíkön við vinnu sína við greiningar á mögulegu hraunflæði á Reykjanesi og viðbrögðum við það. Þau eru meðal annars notuð í dag við mótun og til að ákvarða staðsetningar á varnar- og leiðigörðum til varnar innviðum. Í Lavaforming verkefninu vildum við skoða hvort að við gætum samtengt þessi flæðgreiningarforrit við okkar þrívíddarforrit til að skoða hvernig mismunandi hönnun á rásum eða skurðum myndi hafa á hraunflæði. Bæði til varnar innviðum en einnig til að móta þannig veggi sem væru grunnur vegi og innviði borgar en einnig sem berandi hluta bygginga og þannig borgar úr hrauni. Við gerum okkar greiningar landræðilega í nágrenni virkra eldstöðva á Reykjanesi. Staða rannsókna er þannig að við höfum þróað og hannað nokkrar mismunandi útfærslur í hönnunar- og þrívíddarforriti og keyrt greiningar á þeim með raunverulegum hraunflæðilíkönum. Með þessu náði teymið að setja fram vísindalegar greiningar og hreyfimyndir sem sýna hvernig hægt væri að móta hraun sem byggingarefni fyrir heila borg. Þetta er bara fyrsta stig verkefnisins og markmiðið er að vinna verkefnið áfram. Verkefnið er unnið í samvinnu við Jack Armitage Tölvu- og tæknifræðingi, hönnuð og tónlistarmann. Veðurstofu Íslands og Gro Birkefeldt Moller Pedersen eldfjallafræðings sem vinnur hraunflæðilíkön fyrir Reykjanes. Einnig höfum við verið í samstarfi við teymi eldfjallafræðinga sem starfa á Lamont-Doherty Earth Observatory, við rannsóknir sem er stýrt af prófessor Einat Lev. En Lamont er hluti af Climate skóla Columbia University í New York.

Hægt er að lesa um samstarfið við “The Volcanic group” hér.

Staða verk­efn­is­ins:

Fyrstu flæðilíkön hafa verið keyrð samhliða hönnun okkar og eru sú vinna nú sýnd á Feneyjartvíæringnum í arkitektúr. Við erum að hefja vinnu við frekari greiningar auk þess sem við höfum hafið samstarf við annað vísindafólk sem mun koma að verkefninu frá fleiri áttum, meðal annars efnaverk

Yf­ir­lit yfir að­ila sem hafa kom­ið að rann­sókn­ar-, hönn­un­ar,- og þró­un­ar­vinnu á heild­ar­verk­efn­inu á einn eða ann­an hátt.

s. ap arkitektar:

Andri Snær Magnason rithöfundur

Jack Armitage tölvu- og tæknifræðingur, hönnuður og tónlistarmaður

Lavashow:

Jeffrey Alan Karson eldfjallafræðingur

Málsteypa Þorgríms:

SSJ steinsmiðja:

Svanur Gabriele - drónamyndir

Tæknisetrið:

Veðurstofan:

MOdular LAva Simulation Software for Earth Science (MOLASSES)

lava2d, Dave Hyman, US Geological Survey

Seismology, Geology and Tectonophysics (SGT) research group, Lamont-Doherty Earth Observatory (LDEO), Columbia Climate School, Columbia University in the City of New York.

Ávinn­ing­ur

Það er til mikils að vinna með nýsköpun og efnisþróun tengt mannvirkjagerð og með verkefninu Lavaforming er verið að taka á þessum þáttum. Bráðið hraun kemur náttúrulega upp í miklu magni og hefur ógnað innviðum. Það hefur margvíslega eiginleika sem nýtast til mannvirkjagerðar auk þess sem kraftur þess, rennsli og hiti skapar tækifæri til orkuöflunar samhliða nýtingu þess sem byggingarnefni. Við erum sérstaklega spennt fyrir að vinna nánari rannsóknir á möguleikum þess sem “mono-material” eða byggingarefni fyrir heil mannvirki sem er eingöngu búið til úr basalthrauni. Nú viljum við taka verkefnið áfram þar sem við sjáum fjölmarga þróunarmöguleika í því sem tengist iðnaði, tækni, vísindum sem hefði jákvæð áhrif á loftslagsmál tengt mannvirkjagerð á Íslandi sem er eins og annarsstaðar í heiminum ábyrg fyrir 40% af losun CO2. Næstu skref verkefnisins verða að gera tilraunir á stærri skala og þá með bráðnu hrauni án endurbræðslu auk þess að vinna að þróun annara verkefna tengt Lavaforming eins og hönnun og þróun tengt hraunflæðilíkönum og fleira sem er í vinnslu.

Lavaform­ing fram­lag Ís­lands á Fen­eyj­artví­ær­ingn­um í arki­tektúr 2025

Verkefnið var haustið 2024 valið sem fyrsta framlag Íslands á Feneyjartvíæringnum í arkitektúr 2025 sem opnaði í byrjun Maí síðastliðnum. Þar sýnum við hugmyndina og verkefnið sett fram sem stuttmynd og mismunandi skýringarmyndir og greiningar á rannsóknarvinnu okkar á skjám. Við notum einnig tækifærið og sýnum niðurstöður fyrrgreindra efnisrannsókna sem innsetningu eða skúlptúr ásamt íslensku hraungrjóti og basalttrefjastöngum sem festar voru saman með hinum þrívíddarprentuðu basalt festingum. Þannig geta gestir séð hraun á mismunandi formi, á mismunandi aldri, bæði í náttúrulegri útfærslu en einnig sem mótað byggingarefni. Við miðlum þessum framtíðarheimi í gegnum frásagnir fólks í framtíðinni sem hefur upplifað þróun og tækniframfarir tengt Lavaforming og horfir tilbaka með nostalgíu á fortíðina, sem er framtíðin okkar.

Í okkar sögu árið 2150 höfum við beislað hraunrennslið líkt og við gerðum með gufuaflið á 20. öld. Við vörðum söguna með atburðum sem höfðu áhrif á þróun og tækni en markmið hennar er að sýna að arkitektúr getur verið krafturinn sem endurhugsar og mótar nýja framtíð. Hraunflæði getur innihaldið noǵ byggingarefni fyrir grunnstoðir heillrar borgar sem rís á nokkrum vikum án skaðlegrar námuvinnslu og óendurnýtanlegrar orkuöflunar.