Rice hulls in construction/قشور الأرز في البناء

تُعدّ قشور الأرز فريدة من نوعها في الطبيعة، إذ تحتوي على ما يقارب 20% من السيليكا الأوبالينية، بالإضافة إلى كمية كبيرة من البوليمر البنيوي فينيل بروبانويد المعروف باسم اللجنين. تتمتع هذه المخلفات الزراعية الوفيرة بجميع الخصائص التي يُمكن توقعها من أفضل مواد العزل. وقد كشفت اختبارات حديثة أجرتها شركة R&D Services في كوكفيل، تينيسي، وفقًا لمعايير الجمعية الأمريكية لاختبار المواد (ASTM)، أن قشور الأرز لا تشتعل بسهولة، كما أنها مقاومة للغاية لاختراق الرطوبة والتحلل الفطري، ولا تنقل الحرارة بكفاءة، ولا تُصدر روائح أو غازات، وليست مُسببة للتآكل بالنسبة للألمنيوم أو النحاس أو الفولاذ. تُصنّف قشور الأرز، في حالتها الخام غير المُعالجة، ضمن الفئة A أو الفئة I من مواد العزل، وبالتالي، يُمكن استخدامها بكفاءة اقتصادية عالية لعزل تجاويف الجدران والأرضيات والأسقف في منزل مُعزّل بشكل ممتاز بقشور الأرز. كما تُوضح هذه الورقة البحثية كيفية بناء هيكل هذا المنزل باستخدام مجموعة متنوعة من منتجات الأخشاب المُصنّعة من قشور قصب السكر.

عندما قررت الطبيعة كيفية تغليف حبة أرز، غلّفت هذه الحزمة الصغيرة من العناصر الغذائية بما يُعرف غالبًا باسم "الأوبال الحيوي". ^{[ 1 ]} يشبه التركيب الكيميائي لقشرة الأرز، الذي يحتوي على السيليكا غير المتبلورة المرتبطة بالماء، تركيب الأوبال إلى حد كبير، وهذا ما يمنح قشرة الأرز خصائص مذهلة. لا يمكننا أن نجد في أي مكان منتجًا ثانويًا للحبوب منخفضًا جدًا في البروتين والكربوهيدرات المتاحة، ومع ذلك، في الوقت نفسه، غنيًا جدًا بالألياف الخام والرماد الخام والسيليكا. ^{[ 2 ]} من بين جميع المنتجات الثانوية للحبوب، تحتوي قشرة الأرز على أدنى نسبة مئوية من إجمالي العناصر الغذائية القابلة للهضم (أقل من 10%). ^{[ 3 ]}

تحتوي قشرة الأرز على ما يقارب 20% من السيليكا الأوبالينية، بالإضافة إلى كمية كبيرة من البوليمر البنيوي فينيل بروبانويد المعروف باسم اللجنين. تُعدّ هذه النسبة العالية من السيليكا نادرةً في الطبيعة، ^{[ 4 ]} وهذا المزيج المتجانس من السيليكا واللجنين يجعل قشرة الأرز مقاومةً ليس فقط لاختراق الماء والتحلل الفطري، بل أيضاً لأقصى محاولات الإنسان للتخلص منها. ولأن الأرز يُزرع في جميع قارات العالم باستثناء القارة القطبية الجنوبية، ولأنه يحتل المرتبة الثانية بعد القمح من حيث المساحة والإنتاج العالميين، ^{[ 5 ]} ولأن القشرة تُمثّل في المتوسط ​​حوالي 20% من الوزن الإجمالي للأرز بعد الحصاد، ^{[ 6 ]} فإن كوكبنا ينتهي به المطاف بكمية وفيرة من هذه البقايا المتقشرة.

يُنتج العالم سنوياً أكثر من 100 مليون طن متري من قشور الأرز. ^{[ 7 ]} في عام 1995، أنتجت الولايات المتحدة حوالي 1.26 مليون طن متري من قشور الأرز ^{[ 8 ]} في حوالي 50 مطحنة ^{[ 9 ]} موزعة في لويزيانا، وتكساس، وأركنساس، وميسوري، وميسيسيبي، وفلوريدا، وكاليفورنيا. ونظراً لأن معظم المطاحن تخزن الأرز غير المقشور وتعالجه يومياً، فإن القشور الجافة الطازجة متوفرة على مدار العام. ولأن القشور لا تتحلل بيولوجياً ولا تحترق بسهولة، فإنها تُقدم أحياناً مجاناً.

تُباع قشور الحبوب عادةً بحوالي 6 دولارات للطن، على الرغم من أن أحد المصانع أشار إلى أنه باع قشور الحبوب بأسعار تتراوح من 2 دولار إلى 20 دولارًا للطن. ^{[ 10 ]}

قشرة الأرز مادة تغليف متينة وخشنة للغاية، تتكون من نصفين متشابكين. وهي تغلف الفراغ الصغير الذي خلفه طحن الحبوب، وعند وجودها بالقرب من عدد كبير من القشور الأخرى، فإنها تشكل حاجزًا حراريًا يضاهي في فعاليته مواد العزل الممتازة. ^{[ 11 ]} تشير اختبارات المقاومة الحرارية على قشور الأرز الكاملة إلى قيم R تزيد عن 3.0 لكل بوصة. ^{[ 12 ]} إذا كانت قيمة R لقشور الأرز بهذه الجودة، فلماذا لم تُستخدم على نطاق واسع لعزل المباني السكنية والتجارية؟ ^{[ 13 ]}

لعلّ علماءنا ومهندسينا يركزون فقط على ابتكار مواد ومنتجات يمكن تسويقها تحت علامات تجارية خاصة. ولعلّ الاستخدام البسيط لقشور الأرز كمادة عازلة لا يُلهم الخيال العلمي أو التجاري بما فيه الكفاية. ولكن لماذا التركيز على المنتجات المصنّعة في حين أن المواد الطبيعية متوفرة بكثرة؟ لا بدّ من وجود سبب عميق وواضح يجعل قشور الأرز الخام غير مناسبة للاستخدام كمادة عازلة.

هل تحترق قشور الأرز؟ نعم، تحترق، ولكن بصعوبة، كما أوضح إلدون بيغل ذات مرة بأسلوب أنيق:

ينتج عن الترتيب البنيوي الفريد لقشور السيليكا والسليلوز، والذي يشبه حزمة قش الشرب، جسم لا يحترق ولا ينبعث منه حرارة بطريقة تشبه أي مادة عضوية. توفر هذه البنى الأنبوبية الدقيقة ذات القمم السيليكية مقاومة متأصلة للاحتراق. وغالبًا ما تغلق وتمنع الاحتراق الكامل والمتجانس الضروري للحصول على المنتج النهائي المطلوب. ^{[ 14 ]}

كل من حاول إشعال عود ثقاب بقشور الأرز السائبة يدرك مدى صعوبة احتراقها. فبما أن الهواء لا يستطيع التدفق بحرية عبر كومة من قشور الأرز لتوفير الأكسجين اللازم لاستمرار الاحتراق السريع، فإنها لا تحترق بسهولة وبشكل كامل. كثافة قشور الأرز السائبة مشابهة لكثافة قش التبن المكدس، وكل من حاول حرق بالة قش يدرك المشكلة المرتبطة بتوفر الأكسجين. لكن مجرد توفر الأكسجين لا يفسر كل شيء.

كما ذكرنا سابقًا، تُعدّ النسبة العالية من السيليكا الأوبالينية في قشور الأرز غير مألوفة مقارنةً بالمواد النباتية الأخرى، ويقول بعض العلماء إنه أثناء احتراق قشور الأرز، قد يُشكّل رماد السيليكا "شرنقة" تمنع وصول الأكسجين إلى الكربون الموجود بداخلها. ويتكهن علماء آخرون بأنه نظرًا لاحتمالية وجود روابط جزئية بين السيليكا والكربون على المستوى الجزيئي، يتكوّن كربيد السيليكون أثناء الاحتراق في درجات حرارة عالية، وأن وجود هذه المادة الخزفية المقاومة للحرارة يُعيق احتراق قشور الأرز بسهولة. ^{[ 15 ]} ويقول علماء آخرون إنه عند درجات حرارة معينة، تتقوى الرابطة الجزيئية بين السيليكا والكربون في القشرة، مما يمنع احتراقها الكامل والمتجانس. ^{[ 16 ]} على أي حال، حتى لو تمكّنا من إشعال كومة من قشور الأرز، نجد أنها تميل إلى الاحتراق البطيء بدلًا من الاشتعال.

قشور الأرز مقاومة للاشتعال، وفي درجات الحرارة العادية، تنطفئ ذاتيًا. فعند إلقاء عود ثقاب مشتعل على كومة من قشور الأرز، فإنه عادةً ما ينطفئ دون أن ينتج عنه لهب مستمر في القشور. ^{[ 17 ]}

يتطلب العزل السليلوزي التقليدي إضافة كميات كبيرة من مثبطات اللهب والاحتراق البطيء. قد يصل تركيز هذه المواد الكيميائية (مثل حمض البوريك، وبورات الصوديوم، وكبريتات الأمونيوم، وكبريتات الألومنيوم، وثلاثي هيدرات الألومنيوم، وفوسفات أحادي أو ثنائي الأمونيوم) في العزل السليلوزي التقليدي إلى 40% من الوزن. ^{[ 18 ]} وتُعد هذه المواد الكيميائية باهظة الثمن من حيث الشراء والتحضير، كما يتطلب الأمر معالجة مكثفة لألياف السليلوز لاستقبالها.

من المثير للدهشة أن قشور الأرز لا تحتاج إلى مثبطات اللهب أو الاحتراق البطيء. فقد وهبتها الطبيعة بسخاء جميع خصائص الاحتراق اللازمة لاجتياز اختبار التدفق الإشعاعي الحرج (ASTM C739/E970-89)، واختبار الاحتراق البطيء (ASTM C739، القسم 14)، واختبار خصائص الاحتراق السطحي (ASTM E84). وتشير الاختبارات الحديثة التي أجرتها خدمات البحث والتطوير إلى متوسط ​​تدفق إشعاعي حرج (CRF) يبلغ 0.29 واط/سم²، وفقدان وزن ناتج عن الاحتراق البطيء يتراوح بين 0.03% و0.07%، ومؤشر انتشار اللهب (FSI) يبلغ 10، ومؤشر تطور الدخان (SDI) يبلغ 50. وبما أن قوانين البناء الأمريكية تشترط أن يكون مؤشر انتشار اللهب 25 أو أقل، ومؤشر تطور الدخان 450 أو أقل، يتضح لنا أن قشور الأرز اجتازت هذه الاختبارات بسهولة. في حالتها الخام وغير المعالجة، تشكل قشرة الأرز مادة عازلة من الفئة أ أو الفئة الأولى.

تمتص جميع المواد العضوية الرطوبة أو تطلقها حتى تصل إلى حالة توازن مع الرطوبة النسبية للهواء المحيط. ويُعيق التركيز العالي للسيليكا الأوبالينية على السطح الخارجي لقشرة الأرز انتقال الرطوبة من الغلاف الجوي إلى داخلها. كما تتكون نسبة تتراوح بين 2.1% و6.0% من قشرة الأرز من بوليستر حيوي يُسمى الكيوتين، ^{[ 19 ]} والذي يُشكل، بالاشتراك مع شمع تُنتجه نبتة الأرز، حاجزًا مانعًا للتسرب بدرجة عالية. وتستخدم الطبيعة عدة استراتيجيات فعّالة لحماية حبة الأرز من الماء والرطوبة العالية المصاحبة عادةً لزراعة ونمو هذه النبتة.

وبناءً على ذلك، تشير الدراسات التي أُجريت على قشور الأرز عند درجة حرارة 25 درجة مئوية إلى أن محتوى الرطوبة المتوازن في قشور الأرز عند رطوبة نسبية 50% يبلغ 10% أو أقل، بينما عند رطوبة نسبية 90%، يبقى محتوى الرطوبة المتوازن في قشور الأرز عند 15% أو أقل. ^{[ 20 ]} ويشير اختبار امتصاص بخار الرطوبة (ASTM C739، القسم 12) الذي أجرته خدمات البحث والتطوير إلى زيادة في الوزن بنسبة 3.23% فقط. وهذا أقل بكثير من محتوى الرطوبة اللازم لنمو الفطريات والعفن.

تتطلب المواصفات القياسية لـ ASTM الخاصة بعزل السليلوز إجراء اختبار لمدة 28 يومًا لمقاومة نمو الفطريات (انظر القسم 10 من ASTM C1497، أو ASTM C1338، أو القسم 6.6 من ASTM C1149، أو القسم 11 من ASTM C739). وبناءً على هذه المعايير، قامت شركة R&D Services بتلقيح قشور الأرز بخمسة أنواع مختلفة من الفطريات، واجتازت قشور الأرز هذه الاختبارات بنجاح دون إضافة مبيدات فطرية أو أي مواد كيميائية أخرى.

يُعزى تركيز السيليكا الأوبالية العالي على السطح الخارجي لقشرة الأرز إلى صلابتها الفعّالة، والتي تُقارب صلابة الأوبال (6 على مقياس موس). ^{[ 21 ]} ومع ذلك، ونظرًا لوجود اللجنين داخل قشرة الأرز، فإن هذه الصلابة تُخففها المرونة. ولأن قشرة الأرز صلبة ومرنة في الوقت نفسه، فإنها تُقاوم الترسيب والانضغاط بشكل أفضل بكثير من ورق الجرائد المُمزق. يُمكن أن يُؤدي ترسيب عازل السليلوز في تجويف الجدار إلى تقليل ارتفاعه بنسبة تصل إلى 25%. لهذا السبب، غالبًا ما يكون من الضروري تثبيت عازل السليلوز باستخدام أسيتات البولي فينيل أو مادة لاصقة أكريليكية. لا حاجة لأي من هذه المركبات المُثبتة مع قشور الأرز، إذا تم هزها أو رصها بإحكام في تجويف الجدار.

عادةً ما تكون زاوية استقرار قشور الأرز السائبة حوالي 35 درجة. ^{[ 22 ]} ولكن بمجرد رصّها بإحكام في تجويف جداري، تتشابك أطرافها وحوافها وشعيراتها الدقيقة لتُشكّل زاوية استقرار سالبة. وبفضل هذا الترابط الفريد لقشور الأرز تحت ضغط خفيف، تستقر بشكل متجانس للغاية، ولا يمكن أن يحدث أي ترسب إضافي. كما أنه نظرًا لعدم الحاجة إلى إضافة مواد مثبطة للهب أو مبيدات فطرية أو أي مواد كيميائية أخرى إلى قشور الأرز، فقد خلصت خدمات البحث والتطوير إلى أن هذه الكتلة الحيوية غير الضارة والمستقرة لا تُصدر روائح كريهة (ASTM C739). وبالمثل، خلصت خدمات البحث والتطوير إلى أن قشور الأرز لا تُسبب تآكل الألومنيوم أو النحاس أو الفولاذ (ASTM C739، القسم 9).

باستخدام قشور الأرز، نتجنب عمليات التعدين أو التصنيع التي تُسبب تلوث الهواء أو الماء أو التعرية. ^{[ 23 ]} كما نتجنب عمليات التصنيع التي تستنزف احتياطياتنا من الوقود الأحفوري (كما هو الحال مع البوليسترين، ^{[ 24 ]} وعزل البولي إيزوسيانورات والبولي يوريثان). ولا نستخدم مواد كيميائية مشتقة من الكلور مثل الفوسجين، أو بروبيلين كلوروهيدرين، ^{[ 25 ]} أو أي من مركبات الكلوروفلوروكربون المستنفدة للأوزون. ^{[ 26 ]} ولا نستخدم اليوريا فورمالديهايد، وبالتأكيد لا نستخدم فينول فورمالديهايد المستخدم في معظم عزل الألياف الزجاجية. ^{[ 27 ]} ولا داعي للقلق بشأن تهيج أو تسرطن الغبار والألياف. ^{[ 28 ]} علاوة على ذلك، لا داعي للقلق بالنسبة للأشخاص الذين يعانون من حساسية كيميائية حادة بشأن انبعاث الغازات المرتبطة بالمواد الرابطة في عزل الألواح، أو الحبر في ورق الجرائد المعاد تدويره، أو المركبات العضوية المتطايرة المنبعثة من عزل الرغوة. ^{[ 29 ]} ولأن قشور الأرز لا تتطلب أي تقطيع أو طحن أو نفش أو تحويل إلى ألياف أو ربط أو تثبيت، فإنها تحتوي، لا سيما في الولايات التي تتوفر فيها، على طاقة كامنة أقل بكثير حتى من عزل السليلوز. ^{[ 30 ]} ولأن قشور الأرز لا تحترق بسهولة، فهي لا تتطلب مثبطات اللهب أو الاحتراق البطيء، ولأنها متينة وقوية للغاية، فلا شيء يمنع استخدامها وإعادة تدويرها مرارًا وتكرارًا.

لعلّ أبرز تكلفة مرتبطة باستخدام قشور الأرز هي تكلفة نقلها. فبكثافة تبلغ حوالي 9 أرطال لكل قدم ^مكعب ، ^{[ 31 ]} يمكن نقل القشور السائبة بتكلفة مماثلة تقريبًا لتكلفة نقل القش المكدس. مع ذلك، ولتقليل تكلفة النقل، يمكن ضغط قشور الأرز إلى كثافة تصل إلى 25 رطلاً لكل قدم مكعب ^دون فقدان مرونتها. ^{[ 32 ]} إذ تعود بسهولة إلى كثافتها الأصلية بمجرد زوال قوة الضغط. ولكن لنقل قشور الأرز اقتصاديًا، ليس من الضروري ضغطها إلى كثافة 25 رطلاً لكل قدم ^مكعب . فبكثافة 14.50 رطلاً لكل قدم ^مكعب فقط ، تحقق مقطورة قياسية بطول 53 قدمًا كفاءة نقل مثالية عند وزنها القانوني الأقصى البالغ 24 طنًا. إذا دفعنا، عند كثافة النقل هذه، متوسط ​​رسوم نقل بالشاحنات قدره 1.45 دولارًا لكل ميل، فسيكلف نقل طن واحد من قشور الأرز 250 و500 و750 و1000 و1250 و1500 ميل على التوالي ما يقرب من 15 و30 و45 و60 و75 و90 دولارًا (انظر الرسم البياني أدناه).

بكثافة تركيب تبلغ 9 أرطال/قدم ^مكعب ، يكفي طن واحد من قشور الأرز لعزل 222 قدمًا ^مربعًا من تجويف جداري بعمق 12 بوصة. وبالتالي، فإن تكلفة النقل لكل قدم ^مربع على نفس المسافات هي 0.07 دولار، و0.14 دولار، و0.20 دولار، و0.27 دولار، و0.34 دولار، و0.41 دولار على التوالي (انظر الرسم البياني التالي).

سيجد سكان المناطق التي تبعد أقل من 200 ميل عن مطاحن الأرز صعوبة في تبرير استخدام أي نوع آخر من مواد العزل. وعندما تبيع العديد من المطاحن قشور الأرز على مضض بأقل من 5 دولارات للطن، يصبح استخدام قشور الأرز أكثر إقناعًا. فبسعر 5 دولارات للطن، لا تتجاوز تكلفة قشور الأرز لكل قدم ^مربع من جدار بعمق 12 بوصة 0.02 دولار.

بافتراض أننا ندفع 25 دولارًا للطن بدلًا من 5 دولارات (وهو سعر أعلى بكثير من سعر السوق الحالي)، نجد أن سعر شراء قشور الأرز لكل قدم ^مربع من الجدران المعزولة هو 0.11 دولار فقط. وبإضافة هذا المبلغ (0.11 دولار) إلى تكلفة النقل لنفس المسافات، نصل إلى التكلفة الإجمالية لكل قدم ^مربع من قشور الأرز المُسلّمة إلى موقع العمل، وهي 0.18 دولار، و0.25 دولار، و0.32 دولار، و0.38 دولار، و0.45 دولار، و0.52 دولار على التوالي (انظر الرسم البياني أدناه).

من خلال هذه الحسابات البسيطة، نلاحظ أن نقل قشور الأرز لا ينبغي أن يحدّ من استخدامها الواسع النطاق كعازل. تسمح لنا هذه الحسابات بإجراء مقارنتين، إحداهما مع قش الأرز المضغوط والأخرى مع عزل السليلوز عالي الكثافة. بالمقارنة مع جميع أنواع العزل الأخرى المتوفرة في السوق اليوم، يتميز هذان النوعان بأعلى نسبة من المواد المعاد تدويرها وأقل نسبة من الطاقة المُستَخدَمة في تصنيعهما.

في المتوسط، تزن بالة قش مزدوجة الحبال (14×18×36 بوصة) 45 رطلاً، ويبلغ سعرها 2.50 دولارًا، وتُضاف إليها تكلفة نقلها إلى موقع العمل بقيمة 1.00 دولار. ^{[ 33 ]} عند وضعها بشكل مسطح داخل جدار، تُمثل بالة القش المزدوجة الحبال مساحة 3.5 قدم ^مربع من سطح الجدار. وهذا يُعطي سعر شراء قدره 0.71 دولارًا لكل قدم ^مربع من الجدار، يُضاف إليه 0.29 دولارًا أخرى للنقل. وبناءً على ذلك، فإن التكلفة الإجمالية للقش المضغوط لكل قدم ^مربع من جدار البالات تُقارب 1.00 دولار. وهذا يُمثل أكثر من خمسة أضعاف سعر قشور الأرز المنقولة لمسافة 250 ميلاً، وتقريبًا ضعف سعر قشور الأرز المنقولة لمسافة 1500 ميل. علاوة على ذلك، فإن 12 بوصة من قشور الأرز بسعر R-3.0 لكل بوصة توفر عزلًا أكثر بنسبة 37٪ من 18 بوصة من القش المضغوط بسعر R-1.45 لكل بوصة، ^{[ 34 ]} وهذا، بتكلفة تتراوح من خُمس إلى نصف التكلفة، باستخدام مساحة جدارية أقل بنسبة 33٪.

تُوضع طبقة عازلة من السليلوز بكثافة عالية داخل الجدار، بكثافة تقارب 3.5 رطل/قدم ^مكعب . وبناءً على ذلك، يكفي طن واحد من عازل السليلوز لعزل 571 قدمًا ^مربعًا من الجدار المقترح بعمق 12 بوصة. وبسعر توصيل متوسط ​​قدره 540 دولارًا للطن، تبلغ تكلفة عازل السليلوز حوالي 0.95 دولارًا لكل قدم ^مربع من الجدار المعزول. وهذا أرخص قليلًا من قش الأرز، ولكنه لا يزال أغلى بخمس مرات تقريبًا من قشور الأرز المنقولة لمسافة 250 ميلًا، وضعف سعرها عند نقلها لمسافة 1500 ميل.

إذا كانت عزلات قشور الأرز تُضاهي عزلات قش الأرز والسليلوز، فما مدى تفضيلها على أنواع العزل الأخرى ذات المحتوى المنخفض من المواد المعاد تدويرها والمحتوى العالي من الطاقة الكامنة؟ يحتاج قطاع البناء في الولايات المتحدة إلى ملايين الأطنان من العزل سنويًا. ألا ينبغي لمطاحن الأرز أن تُقيم تحالفًا مع المهندسين المعماريين والبنائين لاستبدال جميع أنواع العزل التي لا تُنتج بطريقة فعّالة ومُفيدة للبيئة؟

رداً على ذلك، قد يجادل أحدهم، وبحق، بأن جدار قش الأرز الحامل يوفر أكثر بكثير من مجرد العزل. وقد يجادل آخرون بأننا قارنا القيمة النظرية لعزل قشور الأرز بالقيمة الفعلية لعزل قش الأرز - وهو مثال واضح على المقارنة غير المنطقية. ولكن طالما أن نظام الجدار مصمم بشكل صحيح (بدون توصيل حراري عبر العناصر الإنشائية)، وطالما أن قشور الأرز موزعة ومضغوطة بشكل متجانس داخل الجدار (بدون فراغات غير مملوءة بالقشور)، فإن القيمتين النظرية والفعلية ستكونان متطابقتين.

في عام ١٩٩٤، استهلكت صناعة العزل السليلوزي ٤٢٠ ألف طن من الصحف المعاد تدويرها. ^{[ ٣٥ ]} وهذا نشاطٌ جديرٌ بالتشجيع والتحسين بكل السبل الممكنة. ولو ساهمت مطاحن الأرز بكمية مماثلة في صناعة العزل، لما شكّل ذلك سوى ثلث الإنتاج السنوي لقشور الأرز في الولايات المتحدة.

بسعر بيع متوسط ​​يبلغ 25 دولارًا للطن، ومسافة نقل متوسطة تبلغ 600 ميل، سيُدرّ هذا المشروع سنويًا ما يقارب 10.5 مليون دولار من الإيرادات لمطاحن الأرز، وأكثر من 15 مليون دولار لشركات النقل. وبما أن الولايات المتحدة تُنتج أقل من 1.3% من الإنتاج العالمي لقشور الأرز، فإن بقية العالم لديها الكثير لتستفيده من هذا الاستخدام البسيط وغير المُعقّد لهذا المنتج الزراعي الوفير. بافتراض أننا مقتنعون بأن قشور الأرز تُقدّم مزايا عديدة مقارنةً بمواد العزل التقليدية، فكيف يُمكننا بناء منزل فائق العزل باستخدامها؟ وبافتراض أننا نرغب في بناء هيكل هذا المنزل بالكامل تقريبًا من مخلفات زراعية، فكيف يُمكننا المضي قدمًا؟ بما أن قشور الأرز السائبة، على عكس بالات القش، لا قيمة إنشائية لها، فكيف يُمكننا بناء تجاويف الأرضية والجدران والسقف لمنزل مصنوع من قشور الأرز؟ إن التقنية التي تُتيح لنا إنشاء أنظمة الأرضيات والجدران والأسقف من مواد سليلوزية منخفضة الجودة موجودة بالفعل. تتخصص شركات مثل جورجيا باسيفيك ولويزيانا باسيفيك وويرهاوزر وبويز في مجموعة متنوعة من منتجات الأخشاب المصنعة مثل العوارض الخشبية على شكل حرف I، والخشب الرقائقي المصفح (LVL)، والخشب ذو الخيوط المتوازية (PSL)، والخشب ذو الخيوط المصفحة (LSL)، والخشب ذو الخيوط الموجهة (OSL)، والخشب الرقائقي الملصق (GLULAM)، وما إلى ذلك. توفر منتجات الأخشاب المصنعة هذه مجموعة واسعة من المزايا مقارنة بالأخشاب الصلبة التقليدية المنشورة.

إنها خالية من العقد والعيوب الأخرى. لا تنكمش، ولا تتقوس، ولا تلتوي، ولا تنشق، ولا تتشقق، ولا تتشوه. وهي أقوى وأكثر صلابة وأخف وزنًا وأكثر استقامة ودقة من الأخشاب الصلبة المنشورة. يمكن تصميمها هندسيًا لتغطية مسافات طويلة نسبيًا، مع قدرة تحمل أكبر بكثير لكل وحدة وزن. يستطيع المهندسون المعماريون تصميم مبانٍ بمساحات معيشية ووظيفية أكبر بكثير، ولا يواجه البناؤون مشكلة الهدر والنفايات، ويجدها النجارون سهلة القطع والتركيب.

يُعدّ خشب الحور حاليًا المادة الخام الأساسية المستخدمة في تصنيع العديد من منتجات الأخشاب المُهندسة. ينمو الحور في الغابات، وحتى الآن، كان تدمير هذه الغابات نتيجة حتمية لصناعة الأخشاب المُهندسة. يلفت بناء الجدران باستخدام قش الأرز انتباهنا بشدة لسبب بسيط، وهو أنه يستفيد من مخلفات زراعية وفيرة. عند بناء جدار حامل من قش الأرز، لا نحتاج إلى قطع شجرة واحدة أو التأثير بأي شكل من الأشكال على الحياة الغنية والمتنوعة التي تعتمد على الأشجار. علاوة على ذلك، لا نحتاج إلى تخصيص فدان إضافي من الأراضي الزراعية لإنتاج بالات القش اللازمة للبناء. بالة القش هي منتج ثانوي أو منتج فرعي لزراعة القمح وصناعة الدقيق.

كما تُنتج الزراعة قشور الأرز كمنتج ثانوي، ألا يُمكنها أن تُنتج لنا أليافًا خشبية قوية كمنتج ثانوي لشيء آخر؟ نبحث عن منتج ثانوي زراعي، يُشبه الخيزران في نواحٍ عديدة، وكأنه يخضع لمنطق طبيعي. لا ينبغي أن يكون سريع النمو وقويًا فحسب، بل يُمكننا أيضًا أن نتوقع تشابهًا ملحوظًا مع الخيزران في بنية النبات نفسه، وتحديدًا في سلسلة العُقد والمسافات بينها التي تُميز الساق. ومثل الخيزران، ينبغي أن يكون عشبًا معمرًا طويلًا ذو قشرة خارجية سميكة، ولكن على عكس الخيزران، يُمكننا أن نأمل في حصاده واستخدامه كمنتج ثانوي لشيء آخر. لن نحتاج إلى تخصيص أرض لزراعته، وستكون جميع المعدات اللازمة لحصاده ونقله ومعالجته متوفرة. فأين نجد مثل هذا النبات الرائع؟

إنها موجودة بالفعل. فقد أدخل كريستوفر كولومبوس قصب السكر إلى العالم الجديد عام 1493، وهو ليس بالأمر الجديد على الزراعة في الولايات المتحدة. ^{[ 36 ]} ولكن منذ إدخاله إلى الأمريكتين، يُزرع بشكل أساسي لكمية السكروز الكبيرة التي تملأ لبه الداخلي. ورغم أن السكروز عالي القيمة يتركز في لبه، إلا أن الساق بأكملها تُسحق وتُضغط وتُعالج، مما يُدمر سلامة وقوة وقيمة القشرة الخارجية الخشبية تمامًا. في أحسن الأحوال، تُستخدم كوقود رديء، وفي أسوأ الأحوال، تُرمى في أكوام كبيرة في العراء حيث قد تشتعل ذاتيًا بفعل البكتيريا المحبة للحرارة. من الصعب فهم ما نهدره بالضبط عندما نحرق القشرة الخارجية لنبات قصب السكر. إذا قارنا معدل نمو وجودة ألياف غابة نموذجية في شمال غرب المحيط الهادئ مع مثيلتها في مزرعة قصب سكر نموذجية في لويزيانا، فسنجد، لدهشتنا الكبيرة، أن حقل قصب السكر يتفوق بوضوح على الغابة بفارق كبير. ففي غضون فترة زمنية مماثلة، يمكن لفدان واحد من قصب السكر أن ينتج ما يقارب ضعف كمية الأخشاب التي ينتجها فدان من الغابة.

بمجرد مرور ساق قصب السكر أو لبّه بالكامل عبر مكبس تقليدي، لا تتضرر بنية القشرة فحسب، بل يختلط اللب والقشرة اختلاطًا وثيقًا، مما يُفقد أي إمكانية لفصلهما اقتصاديًا. يُمثل اللب الداخلي لقصب السكر أليافًا هيميسليلوزية قابلة للتحلل الحيوي، ذات قيمة هيكلية ضئيلة للغاية، وإذا كنا نبحث عن بدائل للمنتجات الحرجية التقليدية، فإن وجود كمية ضئيلة من اللب في المنتجات الخشبية المصنعة يُعد أمرًا غير مرغوب فيه. لذا، ينصبّ التركيز بالكامل على إيجاد وسائل لفصل القشرة عن اللب قبل تقطيع قصب السكر وطحنه في المطحنة.

يُحصد معظم قصب السكر في الدول المتقدمة اليوم باستخدام آلة حصاد خاصة. تقوم هذه الآلة بفصل ساق القصب عن الأرض، ثم تقطعها إلى قطع صغيرة، حاملةً معها كميات كبيرة من الشوائب مثل الحديد المتناثر، والرمل، والطين، وكرات الطين، والحجارة، والطوب، والأوراق، وأغصان القصب. بعد ذلك، تقطع الآلة الساق إلى قطع صغيرة بطول 20 سم تقريبًا. في أفضل الأحوال، وفي الظروف الجافة، يحتوي طن قصب السكر على 8% من الشوائب غير العضوية، بينما في الظروف الرطبة، قد تصل نسبة الشوائب غير العضوية في الطن الواحد إلى 30%. لا يقتصر الأمر على تدمير ألياف السليلوز القوية في القصب تمامًا خلال عملية الطحن في المصنع، بل إن هذه الألياف تختلط أحيانًا بكميات مماثلة من الشوائب غير العضوية.

لا تحتوي هذه المخلفات الداخلة إلى المطحنة على أي سكر، وعند خروجها منها على شكل كعكة ترشيح أو تفل قصب السكر، فإنها تحمل معها السكر. كل واحد بالمئة من المخلفات في قوالب قصب السكر يمثل خسارة في الإنتاج تعادل ثلاثة أرطال من السكر لكل طن من القصب. زيادة المخلفات تعني المزيد من الصيانة، والمزيد من المواد المُرَسِّبة، والمزيد من الجير، والمزيد من الغاز الطبيعي، والمزيد من تفل قصب السكر غير المحترق، والمزيد من كعكة الترشيح، والمزيد من الجرافات الأمامية، والمزيد من معالجة المياه، والمزيد من أحواض الترسيب، والمزيد من آلات الحفر لتنظيف أحواض الترسيب، والمزيد من النقل، والمزيد من عمليات القلب، والمزيد من دبس السكر، ونقص في السكر، والمزيد من التكاليف. لا بد من وجود طريقة لزيادة استخلاص السكر إلى أقصى حد وتقليل تكلفة إنتاجه، مع الحفاظ في الوقت نفسه على سلامة قشرة قصب السكر.

لحل هذه المشكلة، يلزم نوعان من الفصل. الفاصل الأول، وهو فاصل الوسط الكثيف، يزيل جميع الشوائب غير العضوية من قصب السكر المشكل، والفاصل الثاني، وهو فاصل ميكانيكي، يفصل اللب عن القشرة.

صممت شركة الهندسة والفصل وإعادة التدوير (Engineering, Separation and Recycling LLC) في واشنطن، لويزيانا، أكثر من 20 فاصلًا للوسط الكثيف، تُستخدم على نطاق واسع في المعالجة الأولية لمجموعة متنوعة من الخضراوات الجذرية، مثل البطاطس والجزر والجزر الأبيض والبنجر. ويمكن استخدام هذا الفاصل نفسه بكفاءة عالية لفصل قوالب قصب السكر عن المخلفات غير العضوية (انظر الصورة أدناه). ونظرًا لأن كثافة قالب قصب السكر تبلغ حوالي 1.09 وحدة كثافة نسبية (وهي قريبة جدًا من كثافة البطاطس)، ولأن كثافة كرات الطين والحجارة والطوب تتجاوز 2.00 وحدة كثافة نسبية، فإن عملية الفصل هذه سهلة ومباشرة.

بعد إزالة جميع المواد غير العضوية من قطع الخشب، تُوجَّه إلى فاصل ميكانيكي حديث ومتطور يُسمى "فاصل تيلبي". يتكون فاصل تيلبي من مجموعة أولية من البكرات (محطة التقطيع) حيث تُقطَّع قطع الخشب إلى نصفين طوليين. بعد ذلك، تنقسم العملية إلى مجموعتين من البكرات (محطة إزالة اللب)، تقوم كل مجموعة بكشط اللب وفصله عن القشرة. تمر قطع الخشب عبر محطتي التقطيع وإزالة اللب بسرعة فائقة تصل إلى 20 قدمًا في الثانية. يُوجَّه اللب فقط إلى عصارة العصير، بينما تُرسَل القشرة إلى مجفف. بمجرد تجفيفها إلى نسبة رطوبة أقل من 2%، يمكن تصنيع القشرة إلى أي نوع من الأخشاب الهندسية تقريبًا.

بما أن بنية الألياف وطول القطعة الأصلية محفوظة بالكامل في عملية تيلبي، فإن كمية الغراء المطلوبة في تصنيع الأخشاب الهندسية أقل بكثير مما هي عليه في الأحوال العادية. فإذا تم تشكيلها على هيئة دعامات خشبية هندسية، فسيكون لدينا كل ما يلزم لإنشاء تجاويف الجدران لمنزلنا المقترح المصنوع من قشور الأرز. وإذا تم تشكيلها على هيئة عوارض خشبية هندسية على شكل حرف I، فسيكون لدينا كل ما نحتاجه لإنشاء تجاويف الأرضيات والأسقف. ويمكن صنع العتبات، وبلاط الأرضيات، وألواح الأسقف، وحتى الألياف اللازمة لتصنيع ألواح الأسمنت الليفي، من ألياف قشور قصب السكر شديدة المتانة. ^{[ 37 ] [ 38 ]}

بفضل استخدام الأخشاب المُهندسة، يُصبح خيار رفع الهيكل بأكمله عن الأرض (بناء الركائز والعوارض) متاحًا بتكلفة معقولة، ويُتيح إمكانية البناء في المناطق المنخفضة أو على التضاريس غير المستوية. وبالمثل، يُمكن تحويل العلية بسهولة إلى مساحة معيشة مفتوحة وواسعة، مما يُقلل بشكل كبير من متوسط ​​تكلفة المتر المربع للهيكل. ^{[ 39 ]} ونظرًا لأن الإنتاج العالمي السنوي من قصب السكر الخام يبلغ حوالي مليار طن، فإن حوالي 75 مليون طن من قشور قصب السكر الجافة مُتاحة لصناعة الأخشاب المُهندسة. وهذا يُعادل تقريبًا 100 مليون طن من قشور الأرز المُتاحة سنويًا في جميع أنحاء العالم. وباستخدام هذين المُنتجين الثانويين للسكر والأرز، يُمكننا بناء وعزل ملايين المنازل سنويًا.

بصفتنا مواطنين في مجتمع صناعي كبير، نجد صعوبة في القيام بأمور تُحدث فرقًا حقيقيًا. باختيارنا بناء هيكل مُشتقّ إلى حد كبير من مخلفات زراعية، فإننا لا نلتزم فقط بالصواب تجاه البيئة، بل نصنع لأنفسنا أيضًا هيكلًا يفوق بكثير أي شيء متوفر تقليديًا. هذا المنزل فائق العزل المصنوع من قشور الأرز وقصب السكر، عند تصميمه بشكل صحيح، ^{[ 40 ]} يُفترض أن يكون بناؤه أرخص بكثير من البناء التقليدي، مع توفير مستمر لمالكه حيث لا تتجاوز فواتير الخدمات في المتوسط ​​دولارًا أمريكيًا واحدًا يوميًا.

لذا، لماذا نبني بالطرق التقليدية بينما من الأرخص والأكثر منطقية من جميع النواحي اتباع أساليب أخرى؟ حتى الآن، كنا نلجأ إلى الاعتقاد بأنه ما دمنا نجهل الإمكانيات، فلن نتمكن من تحقيقها. لكن الأمر لا يتعلق بالواجب والالتزام بقدر ما يتعلق بإيجاد طرق جديدة ومثيرة للاستجابة بشكل إبداعي للجمال المذهل والآسر في كوننا.

يُعدّ منزل بول ولي أوليفييه أول منزل مبنيّ من قشور الأرز، وقد اكتمل بناؤه في فبراير 2004. يقع المنزل في مدينة واشنطن التاريخية بولاية لويزيانا، والتي اشتهرت بسفنها البخارية، مقابل مزرعة ماغنوليا ريدج الرائعة مباشرةً، ^{[ 41 ]} وهو لا يختلف عن المنازل التي بُنيت في المنطقة منذ أكثر من 150 عامًا. وقد طُبّقت العديد من تقنيات البناء المذكورة في هذه الورقة في تشييد هذا المنزل.

بول أوليفييه

شركة الهندسة والفصل وإعادة التدوير

صندوق بريد ٢٥٠

واشنطن، لويزيانا 70589

رقم الهاتف: 1-337-826-5540

البريد الإلكتروني: xpolivier@hotmail.com