En tiempos de recursos limitados y ante las continuas evidencias de un cambio climático significativo, la sostenibilidad se considera cada vez más un tema de importancia mundial. Pensemos en ámbitos como el diseño, la energía y los materiales: estos conceptos fundamentales asociados con la sostenibilidad forman parte de un espectro integrado de innovación generalizada.
«Hoy en día, la sostenibilidad está de moda», afirma Oral Buyukozturk, profesor de ingeniería civil y ambiental (CEE) en el MIT. «Pero el concepto se usa a menudo con tanta laxitud que muchas personas no están seguras de lo que realmente significa».
Con especial atención a la mecánica, la durabilidad de los materiales de construcción y el diseño acústico, Buyukozturk ha impulsado varias iniciativas multidisciplinarias en CEE, todas con el objetivo de promover la ciencia y la ingeniería de diseños cuantificablemente sostenibles para la infraestructura.
Sostiene que la ciencia y la ingeniería son las entidades que mantienen en pie los rascacielos, hacen resistentes los materiales y conservan intacta la infraestructura.
«Las infraestructuras físicas y civiles inevitablemente se deterioran con el tiempo», afirma Buyukozturk. «El deterioro de los materiales de construcción es un problema mundial y nos enfrentamos a dos desafíos: ¿Cómo rehabilitamos y reparamos las estructuras existentes y cómo construimos nuevos sistemas que sean más duraderos en las condiciones actuales?». Su trabajo sobre la sostenibilidad del entorno construido busca ofrecer soluciones.
Decidido a aclarar el concepto de sostenibilidad en términos de ingeniería, Buyukozturk fundó el Laboratorio de Ciencia y Sostenibilidad de Infraestructuras (LISS) en 2011. Ahora, como sede de un conjunto de iniciativas interrelacionadas, LISS busca contribuir al desarrollo social y económico mediante la descripción detallada de la sostenibilidad de las infraestructuras físicas existentes y la mejora del diseño de nuevos sistemas.
LISS abarca varias iniciativas interrelacionadas, entre ellas la detección de movimiento y las redes inalámbricas distribuidas de sensores, la innovación en materiales de construcción, la eficiencia energética de las infraestructuras y nuevos paradigmas de diseño en ingeniería sísmica.
LISS difunde ampliamente sus descubrimientos y nuevas tecnologías mediante la presentación de artículos en conferencias internacionales sobre monitoreo de la salud estructural, ingeniería sísmica y sismología, así como mediante su publicación en revistas como Proceedings of the National Academy of Sciences.
LISS aborda la sostenibilidad del entorno construido de Kuwait
Entre las iniciativas de investigación reunidas bajo el paraguas de LISS, una de las más ambiciosas es la Sostenibilidad del Entorno Construido de Kuwait (SKBE). La misión, acuñada como el primer Proyecto Emblemático Kuwait-MIT, se anunció el 13 de marzo de 2013.
Este equipo, que reúne a más de 30 investigadores del MIT y de Kuwait, así como a un ejército de estudiantes de posgrado de todos los rincones del MIT, se propone generar innovaciones en materiales de construcción, sensores, eficiencia energética, resiliencia y planificación urbana.
Al integrar una multitud de campos, «el objetivo general es desarrollar soluciones y metodologías innovadoras para la sostenibilidad del entorno construido de Kuwait en condiciones extremas», afirma Buyukozturk, investigador principal responsable de SKBE. El producto final será un plan maestro para el futuro del entorno construido de Kuwait.
«El proyecto contribuye enormemente a la eficiencia energética y del ciclo de vida de materiales, edificios y vecindarios mediante un enfoque único de planificación urbana a múltiples escalas. Beneficiará a Kuwait en sus futuros desarrollos urbanos y mejorará el uso de energía de los edificios y pueblos existentes desde una perspectiva orientada a conceptos de energía renovable», afirma Ali Hajiah, científico investigador del Centro de Investigación de Energía y Edificios de KISR y coinvestigador principal del Proyecto Emblemático.
SKBE surgió tras años de interacción entre científicos del MIT y de Kuwait, procedentes del Instituto de Investigación Científica de Kuwait y de la Universidad de Kuwait, y se financia con una subvención de 4,97 millones de dólares a través del Centro Kuwait-MIT de Recursos Naturales y Medio Ambiente (CNRE), otorgada por la Fundación de Kuwait para el Avance de las Ciencias.
La belleza, afirma Buyukozturk, reside en su conjunto de desafíos de «gran actualidad»: un rápido crecimiento demográfico, movimientos sísmicos del suelo, condiciones meteorológicas peligrosas, conversión de energía y agotamiento futuro de la energía. Añade que las aplicaciones prácticas para rescatar y aprovechar un sistema energético definitivo para Kuwait son vastas.
«Que yo sepa, este es un programa único por su alcance y por la magnitud de los problemas que aborda», afirma Buyukozturk. «El desafío consiste en lograr que todos trabajen juntos por la sostenibilidad: no solo hablar de ella, sino crear soluciones».
En respuesta al llamado del gobierno kuwaití a adoptar un enfoque integrado para modernizar su infraestructura, el plan abarca tres líneas de investigación: materiales de construcción nanoingenierizados; ingeniería basada en el desempeño, confiabilidad y eficiencia energética; y desempeño del ciclo de vida de los materiales de construcción y los edificios en Kuwait.
«Dado que se prevé implementar varios proyectos de infraestructura conforme al plan maestro de Kuwait, este distintivo proyecto emblemático, dividido en tres líneas de trabajo relacionadas, proporcionará a Kuwait importantes conocimientos y beneficios científicos para futuros sistemas de infraestructura, la modernización de las infraestructuras existentes, la educación, la economía y la industria de la construcción», afirma Hasan Kamal, miembro del Consejo Municipal de Kuwait, coordinador y coinvestigador principal del proyecto. «Además de sus beneficios para la región del Golfo, los resultados del proyecto se utilizarán para modificar normas, reglamentos y códigos».
SKBE crea materiales de construcción duraderos
Un ejemplo del éxito del proyecto es el desarrollo de un concreto diseñado para resistir los elementos y degradarse menos que el que se utiliza actualmente en gran parte de la construcción kuwaití.
«En la Universidad de Kuwait contamos con técnicas potentes como la RMN 600 de estado sólido, la sorptometría de N2/H2O, la espectroscopia Raman y la nanoindentación. Por primera vez, y mediante este proyecto único, aplicamos estas técnicas a la caracterización y optimización del cemento», afirma el profesor Ali Bumajdad, vicedecano de estudios académicos y de posgrado de la Universidad de Kuwait, supervisor del Centro de Ciencia de Nanos copia de KU y coinvestigador principal del proyecto.
Mediante un proceso iterativo que combina experimentación y el tipo de modelado computacional a múltiples escalas dirigido por Markus Buehler, jefe del Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental, el equipo de SKBE está desarrollando una composición de pasta de cemento que incorpora ceniza volcánica, un material presente en toda la región del golfo Pérsico y la península arábiga. El concreto elaborado con esta composición es menos poroso, resistente a la penetración del agua y contribuye a los objetivos de sostenibilidad del equipo.
«En SKBE incorporamos a los materiales de construcción y edificación los materiales biológicos estudiados en el grupo del profesor Buehler», afirma Steven Palkovic, estudiante de posgrado de CEE y colaborador de SKBE. «Este trabajo es innovador porque es uno de los primeros intentos de adoptar un enfoque a múltiples escalas para materiales a base de cemento y un esfuerzo en curso para aplicar las lecciones de los materiales biológicos a uno de los materiales de construcción más utilizados en el mundo».
Según Buyukozturk, este esfuerzo ahorrará dinero y energía a Kuwait y a futuras misiones.
«Es un concepto nuevo: utilizar material disponible localmente para sustituir parte del cemento y crear un material que tenga un mejor comportamiento, implique menores costos de fabricación y dure más», afirma.
La visión del proyecto es aprovechar las capacidades de la ciencia básica en modelado y simulación computacional de materiales, junto con las técnicas experimentales actuales, para responder a los desafíos tecnológicos específicos de Kuwait.
Es un primer paso, afirma Buyukozturk, «hacia un modelo de soluciones sostenibles para materiales y estructuras».
Regular la respuesta de la infraestructura al entorno
Los sensores que detectan comportamientos sutiles de los edificios, como torsiones, vibraciones y balanceos, pueden identificar posibles daños o debilidades estructurales antes de que ocurra un desastre.
En el marco de SKBE, se están instalando redes de sensores en la torre Al Hamra, en la ciudad de Kuwait, el edificio escultórico más alto del mundo, para monitorear su comportamiento sísmico y cualquier efecto ambiental. «Construimos un modelo de elementos finitos a escala real para estudiar las características dinámicas de esta torre singular y realizamos un análisis de ubicación óptima de sensores antes de instrumentarla», afirma Hao Sun, investigador posdoctoral de CEE. «El objetivo de la ubicación óptima de sensores es obtener la mayor cantidad posible de información sobre la estructura con un número limitado de sensores para el monitoreo práctico de la salud estructural».
También se han instalado unidades GPS y acelerómetros en distintos puntos de Kuwait para medir el movimiento de los edificios. «Instalamos dos unidades GPS en Al Hamra para monitorear continuamente el movimiento y el desplazamiento del edificio», afirma Tom Herring, especialista en GPS y profesor del Departamento de Ciencias de la Tierra, Atmosféricas y Planetarias (EAPS) del MIT. «El GPS puede potencialmente monitorear el comportamiento dinámico del edificio en tiempo real, lo que nos indica los efectos sísmicos y ambientales sobre el edificio y nos ayuda a evaluar su seguridad».
Un objetivo específico de SKBE es examinar las cargas sísmicas que soportan los edificios altos y las superestructuras en Kuwait. «Los terremotos regionales son factores importantes que amenazan la seguridad de los edificios en Kuwait», afirma Nafi Toksoz, profesor de EAPS y coinvestigador principal. «Con los conceptos de ingeniería basada en el desempeño, investigamos metodologías sólidas para calcular el movimiento local del suelo y proporcionar datos para modelar la respuesta de los edificios y predecir su desempeño».
Estas nuevas tecnologías, afirma Buyukozturk, pueden orientar las decisiones sobre la renovación de la infraestructura actual para mejorar su seguridad y confiabilidad, y ayudar a adaptar los futuros sistemas de construcción para lograr la máxima eficiencia energética y solidez.
Mejorar la eficiencia energética y el desempeño del ciclo de vida de la infraestructura
Los arquitectos encabezan la tercera área de investigación de SKBE. Christoph Reinhart, miembro del equipo y profesor asociado de la Escuela de Arquitectura y Planificación del MIT, aplica simulaciones de diseño sostenible y modelos de planificación al laboratorio a gran escala que es Kuwait.
Junto con estudiantes del MIT y colegas kuwaitíes, Reinhart está cartografiando cada residencia de un vecindario típico de la ciudad de Kuwait para determinar tanto el consumo energético de sus ocupantes como la energía incorporada de cada vivienda (la energía necesaria para construir y mantener una estructura durante su vida útil). Su grupo también está trazando la «caminabilidad» de los vecindarios urbanos: la proximidad y accesibilidad de tiendas, parques y otros lugares para quienes se desplazan a pie.
Esta investigación proporcionará orientación para la planificación al gobierno de Kuwait, que actualmente se encuentra bajo una presión extrema debido al rápido crecimiento de la población y a su propio compromiso de proporcionar viviendas asequibles a los kuwaitíes.
«Lo que realmente estamos haciendo aquí es crear herramientas de diseño basadas en evidencia que puedan utilizar hoy», afirma Reinhart. «Si podemos decir que durante la próxima década se consumirá cierta cantidad de energía en los edificios, los kuwaitíes podrán tomar decisiones estratégicas, como optar por modernizar edificios antiguos con sistemas fotovoltaicos o ventanas más aislantes, o desplegar nuevos materiales de construcción que mantengan más frescos los edificios en verano».
La investigación de Reinhart revela concesiones que podrían surgir cuando Kuwait tome decisiones sobre la construcción sostenible. Los edificios altos bien diseñados, que según sus modelos son los más eficientes energéticamente y mejoran la caminabilidad del vecindario, no resultan tan adecuados para la iluminación natural, una tecnología que utiliza la luz del día que entra por las ventanas para reducir la necesidad de fuentes de luz artificial. Una mayor densidad de edificios, favorable para el ahorro energético, podría limitar el deseo de los kuwaitíes de contar con espacios habitables cómodos.
Independientemente de cómo Kuwait decida utilizar este trabajo, Reinhart considera que sus modelos de vecindarios son «una nueva y emocionante herramienta de política energética que puede tener un impacto enorme», afirma, especialmente cuando se implemente a mayor escala.
Además, John Ochsendorf, profesor de la promoción de 1942 en los departamentos de Ingeniería Civil y Ambiental y Arquitectura del MIT, trabaja junto con Reinhart para cuantificar el impacto ambiental de los materiales de construcción en Kuwait. El objetivo es identificar oportunidades de ahorro energético tanto en el funcionamiento como en la construcción de edificios. Según Ochsendorf, «este proyecto ofrece un enfoque integrado para planificar y diseñar ciudades de bajo consumo energético para el futuro».
Buyukozturk afirma que inicialmente se esperaba que SKBE durara tres años. Ahora, en su tercer año, da a entender que la continuación natural del proyecto se prolongará más allá del plazo previsto inicialmente. «Los indicios apuntan a que, con esta extensión, ellos [Kuwait] obtendrían mayores beneficios del marco intelectual y el desarrollo que hemos creado con este proyecto», explica. «En particular, les gustaría que continuáramos con la ampliación de la implementación física del plan maestro que hemos creado».
SKBE representa un primer paso para demostrar los beneficios de la sinergia de la alianza y es un esfuerzo por sentar las bases científicas de un conjunto de tecnologías destinadas a abordar la seguridad y eficiencia de la infraestructura construida de Kuwait.
«Como el éxito de SKBE depende de crear soluciones específicas para las condiciones de Kuwait, también ilustra un principio subyacente a cualquier transformación de empresas tecnológicas de nuestra sociedad basada en la ciencia: conectar el impulso de los avances científicos (globales) con la demanda de tecnología (local)», afirma el profesor Sidney Yip, coinvestigador del proyecto en el Departamento de Ciencia e Ingeniería Nuclear.
Desde la elaboración de mapas detallados del uso de energía hasta la fabricación de materiales de construcción duraderos para una infraestructura robusta que resista los elementos, los diseños cuantificablemente sostenibles de Kuwait, junto con las demás iniciativas de LISS, «van a ser algo muy importante», afirmó Buyukozturk.
Este artículo se publica en colaboración con MIT News. La publicación no implica que el Foro Económico Mundial respalde estas opiniones.
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Autor: Kelsey Damrad escribe para el Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental de MIT News.
Imagen: Obreros trabajan en una obra cerca del aeropuerto de Hongqiao, en Shanghái. REUTERS/Aly Song.
