Согласно новому исследованию, замена только одного из основных ингредиентов бетона вулканической породой может сократить выбросы углерода при производстве этого материала почти на две трети.
Бетон подарил нам Пантеон в Риме, Сиднейский оперный театр, плотину Гувера и бесчисленные блочные монолиты. Искусственная скала покрывает наши города и дороги, лежит в основе ветряных электростанций и солнечных панелей - и будет вложена тоннами в инфраструктурные проекты, поддерживаемые инвестициями в восстановление COVID в Соединенных Штатах и за рубежом.
Однако это дорого обходится усилиям по борьбе с изменением климата, поскольку цемент- связующий элемент, который смешивают с песком, гравием и водой для изготовления бетона - входит в число крупнейших промышленных факторов, влияющих на глобальное потепление.
«Бетон встречается повсеместно, потому что это один из самых доступных строительных материалов, с ним легко манипулировать, и ему можно придать практически любую форму», - говорит Тициана Ванорио, доцент геофизики Стэнфордского университета.
Но производство цемента высвобождает до 8% годовых выбросов углекислого газа, связанных с деятельностью человека, и ожидается, что в ближайшие десятилетия спрос будет расти, поскольку урбанизация и экономическое развитие стимулируют строительство новых зданий и инфраструктуры.
«Если мы собираемся снизить выбросы углерода до уровней, необходимых для предотвращения катастрофического изменения климата, нам необходимо изменить способ производства цемента», - говорит Ванорио.
Коралловые рифы, ракушки омаров и креветки-богомолы
СО бетона2 Проблема начинается с известняка, породы, состоящей в основном из карбоната кальция. Чтобы сделать портландцемент - пастообразный главный ингредиент современного бетона - известняк добывают, измельчают и обжигают при высокой температуре с глиной и небольшим количеством других материалов в гигантских печах. Выработка этого тепла обычно включает сжигание угля или других ископаемых видов топлива, на которые приходится более трети выбросов углерода, связанных с бетоном.
Тепло вызывает химическую реакцию, в результате которой образуются серые комки размером с мрамор, известные как клинкер, которые затем измельчаются в мелкий порошок, который мы называем цементом. В результате реакции также выделяется углерод, который в противном случае мог бы оставаться заблокированным в известняке в течение сотен миллионов лет. Этот шаг вносит большую часть оставшегося CO2 выбросы от производства бетона.
Ванорио и его коллеги сейчас создают прототип цемента, который устраняет CO.2-отрывая химическую реакцию путем изготовления клинкера с вулканическая порода который содержит все необходимые строительные блоки, но не содержит углерода.
Как наиболее часто используемый строительный материал на планете, бетон уже давно является объектом повторного изобретения. Исследователи и компании нашли вдохновение для новых рецептов в коралловых рифах, панцирях омаров и дубинках, похожих на молот. креветки богомола. Другие частично заменяют клинкер промышленными отходами, такими как летучая зола с угольных электростанций, или вводят в смесь уловленный углекислый газ, чтобы уменьшить воздействие бетона на климат.
Президент Джо Байден призвал к расширению улавливания углерода и использованию водородного топлива в производстве цемента, чтобы к 2005 году сократить вдвое выбросы парниковых газов в США по сравнению с уровнями 2030 года.
Пропустить известняк
Ванорио предлагает полностью отказаться от известняка и начать с камня, который можно добывать во многих вулканических регионах по всему миру. «Мы можем взять эту породу, измельчить ее, а затем нагреть для производства клинкера, используя то же оборудование и инфраструктуру, которые в настоящее время используются для производства клинкера из известняка», - говорит она.
Горячая вода, смешанная с этим низкоуглеродистым клинкером, не только превращает его в цемент, но также способствует росту длинных переплетенных цепочек молекул, которые при просмотре под микроскопом выглядят как спутанные волокна. Подобные структуры существуют в скалах, естественно цементированных в гидротермальных средах - местах, где горячая вода циркулирует прямо под землей, - и в бетонных римских гаванях, которые пережили 2,000 лет нападения агрессивной соленой воды и ударов волн, где современный бетон обычно разрушается в течение десятилетий.
Подобно арматуре, обычно используемой в современных бетонных конструкциях для предотвращения растрескивания, эти крошечные минеральные волокна препятствуют обычной хрупкости материала.
«Бетон не любит растягиваться. Без какого-либо армирования он сломается, прежде чем согнется под нагрузкой », - говорит Ванорио, старший автор недавних работ по микроструктур в римском морском бетоне и о роли рок физика в переходе к низкоуглеродному будущему. В настоящее время большая часть бетона в больших масштабах армируется сталью.
«Наша идея состоит в том, чтобы усилить его на наномасштабе, изучив, как волокнистые микроструктуры эффективно укрепляют горные породы и естественные условия, которые их создают», - говорит она.
Уроки исцеления и устойчивости
Процесс, который Ванорио представляет для преобразования вулканическая порода в бетон напоминает цементирование горных пород в гидротермальных условиях. Гидротермальные условия, которые часто встречаются вокруг вулканов и над границами активных тектонических плит, позволяют скалам быстро реагировать и рекомбинировать при температурах не выше температуры домашней печи, используя воду в качестве мощного растворителя.
Подобно заживлению кожи, трещины и разломы во внешнем слое Земли со временем цементируются вместе в результате реакций между минералами и горячей водой. «Природа была отличным источником вдохновения для инновационных материалов, имитирующих биологическую жизнь», - говорит Ванорио. «Мы также можем черпать вдохновение в земных процессах, которые обеспечивают исцеление и устойчивость к повреждениям».
От кирпича и кованого металла до стекла и пластика люди уже давно создают материалы, используя те же силы, которые управляют круговоротом горных пород на Земле: тепло, давление и вода. Многочисленные археологические и минералогические исследования показывают, что древние римляне, возможно, научились использовать вулканический пепел для получения самого раннего известного рецепта бетона, наблюдая, как он затвердевает при естественном смешивании с водой.
«Сегодня у нас есть возможность наблюдать за цементированием через призму технологий 21 века и знаний о воздействии на окружающую среду», - говорит Ванорио.
Vanorio объединился с профессором материаловедения и инженерии Альберто Саллео, чтобы выйти за рамки имитации геологии и управлять ее процессами для достижения конкретных результатов и механических свойств с помощью наноразмерной инженерии. «Становится все более очевидным, что цемент может быть разработан в наномасштабе, и его также следует изучать в этом масштабе», - говорит Саллео.
Устранение дефектов бетона
Многие свойства цемента зависят от небольших дефекты и от силы связи между различными компонентами, говорит Саллео. Крошечные волокна, которые растут и переплетаются во время цементирования измельченных горных пород, действуют как стягивающие веревки, придавая им прочность. «Нам нравится говорить, что материалы похожи на людей: именно дефекты в них делают их интересными», - говорит он.
В 2019 году непреходящее любопытство к древнему бетону, которое он видел среди руин, когда он рос в Риме, побудило Саллео обратиться к Ванорио, чье собственное путешествие в физику горных пород началось после того, как в детстве она испытала динамизм земной коры в неаполитанской Портовый город в центре кальдеры, где впервые был спроектирован римский бетон.
С тех пор Саллео стал рассматривать работу над низкоуглеродистым клинкером, вдохновленную геологическими процессами, как логическое соответствие проектам его группы, связанным с устойчивостью, таким как недорогие солнечные элементы на основе пластиковых материалов и электрохимические устройства для хранения энергии.
«Использование низкоуглеродного клинкера - еще один способ уменьшить количество CO2, которое мы выбрасываем в атмосферу», - говорит он. Но это только начало. «Земля - это гигантская лаборатория, где материалы смешиваются при высоких температурах и высоких давлениях. Кто знает, сколько еще существует интересных и в конечном итоге полезных структур? »
источник: Стэнфордский университет
Книги по этой теме
Просадка: самый всеобъемлющий план, когда-либо предлагаемый для обратного глобального потепления
Пол Хокен и Том Стейер
Перед лицом широко распространенного страха и апатии международная коалиция исследователей, специалистов и ученых объединилась, чтобы предложить ряд реалистичных и смелых решений проблемы изменения климата. Здесь описаны сто методов и практик, некоторые из них хорошо известны; некоторые, о которых вы, возможно, никогда не слышали. Они варьируются от чистой энергии до обучения девочек в странах с низким уровнем дохода и практики землепользования, которая выбрасывает углерод из воздуха. Решения существуют, являются экономически жизнеспособными, и сообщества во всем мире в настоящее время принимают их с умением и решительностью. Доступно на Amazon
Проектирование климатических решений: руководство по политике для низкоуглеродной энергетики
Хэл Харви, Робби Орвис, Джеффри Риссман
Поскольку последствия изменения климата уже сказываются на нас, необходимость сокращения глобальных выбросов парниковых газов является не менее чем насущной. Это непростая задача, но технологии и стратегии для ее решения существуют сегодня. Небольшой набор энергетических политик, хорошо продуманных и реализованных, может направить нас на путь к низкоуглеродному будущему. Энергетические системы большие и сложные, поэтому энергетическая политика должна быть целенаправленной и рентабельной. Универсальные подходы просто не помогут. Директивным органам нужен четкий и всеобъемлющий ресурс, в котором излагается энергетическая политика, которая окажет наибольшее влияние на наше климатическое будущее, и описывается, как ее правильно разрабатывать. Доступно на Amazon
Это меняет все: Капитализм против Климатологической
Наоми Кляйн
In Это изменяет все Наоми Кляйн утверждает, что изменение климата - это не просто еще одна проблема, которую нужно аккуратно поставить между налогами и здравоохранением. Это тревога, которая призывает нас к налаживанию экономической системы, которая уже во многих отношениях подводит нас. Кляйн тщательно выверяет аргументы в пользу того, что массовое сокращение выбросов парниковых газов - это наш лучший шанс одновременно сократить неравенство, изменить наши разрушенные демократии и восстановить разрушенную местную экономику. Она разоблачает идеологическое отчаяние отрицателей изменения климата, мессианские заблуждения потенциальных геоинженеров и трагический пораженчество слишком многих основных зеленых инициатив. И она наглядно демонстрирует, почему рынок не смог - и не может - исправить климатический кризис, а вместо этого усугубит ситуацию, применяя все более экстремальные и экологически разрушительные методы добычи, сопровождаемые безудержным капитализмом бедствий. Доступно на Amazon
От издателя:
Покупки на Amazon идут, чтобы покрыть стоимость привлечения вас InnerSelf.comelf.com, MightyNatural.com, и ClimateImpactNews.com бесплатно и без рекламодателей, которые отслеживают ваши привычки просмотра. Даже если вы нажмете на ссылку, но не купите эти выбранные продукты, все остальное, что вы купите в этом же посещении Amazon, платит нам небольшую комиссию. Никаких дополнительных затрат для вас нет, поэтому, пожалуйста, внесите свой вклад. Вы также можете пройдите по этой ссылке использовать в Amazon в любое время, чтобы вы могли помочь поддержать наши усилия.
Эта статья первоначально появилась на будущность
