Att ersätta bara en av betongens huvudingredienser med vulkanisk sten kan minska koldioxidutsläppen från tillverkningen av materialet med nästan två tredjedelar, enligt en ny studie.
Betong har gett oss Pantheon i Rom, Sydney Opera House, Hoover Dam och otaliga blockiga monoliter. Det konstgjorda berget täcker våra städer och vägar, ligger till grund för vindkraftsparker och solpanelsystem - och kommer att hällas i ton i infrastrukturprojekt som stöds av COVID-återvinningsinvesteringar i USA och utomlands.
Det kostar dock branta kostnader för att bekämpa klimatförändringarna, för att cement- det bindande elementet som är blandat med sand, grus och vatten för att göra betong - tillhör de största industriella bidragsgivarna till global uppvärmning.
"Betong är allestädes närvarande eftersom det är ett av de mest prisvärda byggmaterialen, det är lätt att hantera och kan formas till nästan vilken form som helst", säger Tiziana Vanorio, docent i geofysik vid Stanford University.
Men produktion av cement släpper ut så mycket som 8% av de årliga koldioxidutsläppen relaterade till mänsklig aktivitet, och efterfrågan förväntas öka under de kommande decennierna när urbanisering och ekonomisk utveckling driver byggandet av nya byggnader och infrastruktur.
"Om vi ska sänka koldioxidutsläppen till de nivåer som är nödvändiga för att förhindra katastrofala klimatförändringar, måste vi ändra hur vi tillverkar cement", säger Vanorio.
Korallrev, hummerskal och mantisräka
Betongs CO2 problemet börjar med kalksten, en sten gjord främst av kalciumkarbonat. För att göra Portlandcement - den pastiga huvudingrediensen i modern betong - bryts, krossas och bakas på hög värme med lera och små mängder andra material i jätteugnar. Att generera denna värme innebär vanligtvis att man bränner kol eller andra fossila bränslen och står för mer än en tredjedel av koldioxidutsläppen i samband med betong.
Värmen utlöser en kemisk reaktion som ger grå klumpar i marmorstorlek som kallas klinker, som sedan mals i det fina pulvret som vi känner igen som cement. Reaktionen släpper också ut kol som annars kan förbli låst i kalksten i hundratals miljoner år. Detta steg bidrar med det mesta av återstående CO2 utsläpp från betongproduktion.
Vanorio och kollegor prototypar nu cement som eliminerar CO2-belastande kemisk reaktion genom att göra klinker med en vulkanisk sten som innehåller alla nödvändiga byggstenar, men inget av kolet.
Som det mest använda byggmaterialet på planeten har betong länge varit ett mål för återuppfinning. Forskare och företag har hittat inspiration för nya recept i korallrev, hummerskal och hammerliknande klubbar i mantis räkor. Andra ersätter delvis klinker med industriavfall som flygaska från kolanläggningar eller injicerar fångad koldioxid i blandningen som ett sätt att krympa betongens klimatpåverkan.
President Joe Biden har efterlyst en utvidgning av koldioxidavskiljningen och användningen av vätgas i cementtillverkningen för att halvera USA: s växthusgasutsläpp från 2005 års nivåer fram till 2030.
Hoppa över kalkstenen
Vanorio föreslår att man helt avskaffar kalksten och istället börjar med en sten som kan brytas i många vulkanregioner runt om i världen. "Vi kan ta denna sten, mala den och sedan värma upp den för att producera klinker med samma utrustning och infrastruktur som för närvarande används för att göra klinker av kalksten", säger hon.
Varmt vatten blandat med denna klinker med låg kolhalt omvandlar inte bara den till cement utan främjar också tillväxten av långa, sammanflätade kedjor av molekyler som ser ut som trassliga fibrer när de ses under ett mikroskop. Liknande strukturer finns i stenar som är naturligt cementerade i hydrotermiska miljöer - platser där sköljande hett vatten cirkulerar strax under marken - och i romerska hamnar i betong, som har överlevt 2,000 års angrepp från frätande saltvatten och strövågor där modern betong vanligtvis skulle smula inom decennier.
Liksom armeringsjärn som vanligtvis används i moderna betongkonstruktioner för att förhindra sprickor, bekämpar dessa små mineralfibrer materialets vanliga sprödhet.
”Betong gillar inte att vara sträckt. Utan någon form av förstärkning kommer den att gå sönder innan den böjer sig under stress, säger Vanorio, seniorförfattare till de senaste tidningarna om mikrostrukturer i romersk marinbetong och om rollen som stenfysik övergången till en koldioxidsnål framtid. Mest betong är nu förstärkt i stor skala med stål.
"Vår idé är att förstärka den i nanoskala genom att lära sig hur fibrösa mikrostrukturer effektivt förstärker stenar och de naturliga förhållandena som producerar dem", säger hon.
Lektioner i läkning och motståndskraft
Processen som Vanorio föreställer sig att transformera vulkanisk sten i betong liknar hur stenar cement i hydrotermiska miljöer. Ofta finns det runt vulkaner och över aktiva tektoniska plattgränser, hydrotermiska förhållanden gör att stenar snabbt kan reagera och rekombineras vid temperaturer som inte är varmare än en hemugn och använder vatten som ett kraftfullt lösningsmedel.
Som att läka hud, sprickor och fel i jordens yttersta lager cementeras tillsammans över tid genom reaktioner mellan mineraler och varmt vatten. "Naturen har varit en stor inspirationskälla för innovativa material som efterliknar det biologiska livet", säger Vanorio. "Vi kan också hämta inspiration från jordprocesser som möjliggör läkning och skadar motståndskraften."
Från tegelstenar och smidd metall till glas och plast har människor länge tillverkat material med samma krafter som driver jordens bergcykel: värme, tryck och vatten. Många arkeologiska och mineralogiska studier tyder på att forntida romare kan ha lärt sig att utnyttja vulkanaska för det tidigast kända betongreceptet genom att se hur det härdas när det blandas naturligt med vatten.
"Idag har vi möjlighet att observera cementering med linsen från 21-talets teknik och kunskap om miljöpåverkan," säger Vanorio.
Vanorio samarbetade med professor i materialvetenskap och teknik Alberto Salleo för att gå utöver att imitera geologi för att manipulera dess processer för specifika resultat och mekaniska egenskaper med hjälp av nanoskalutveckling. "Det blir allt tydligare att cement kan konstrueras i nanoskalan och bör studeras i samma skala också", säger Salleo.
Omfattar betongfel
Många av cementens egenskaper är beroende av små defekter och på styrkan av banden mellan de olika komponenterna, säger Salleo. De små fibrerna som växer och flätar samman under cementeringen av pulveriserade stenar fungerar som åtdragande rep och ger styrka. "Vi vill säga att material är som människor: det är defekterna i dem som gör dem intressanta", säger han.
År 2019 fick en bestående nyfikenhet på den forntida betong som han hade sett bland ruiner som ett barn som växte upp i Rom Salleo att nå ut till Vanorio, vars egen resa in i bergfysik började efter att ha upplevt jordskorpans dynamik under sin barndom i en napolitansk hamnstad mitt i en kaldera där romersk betong först konstruerades.
Sedan dess har Salleo kommit att se arbetet med en klinker med låga koldioxidutsläpp inspirerade av geologiska processer som en logisk passning med gruppens projekt relaterade till hållbarhet, såsom billiga solceller baserade på plastmaterial och elektrokemiska enheter för energilagring.
”Att tänka på en klinker med låg kolhalt är ett annat sätt att minska mängden koldioxid som vi skickar ut i atmosfären”, säger han. Men det är bara början. ”Jorden är ett gigantiskt laboratorium där material blandas vid höga temperaturer och höga tryck. Vem vet hur många andra intressanta och i slutändan användbara strukturer finns där ute? ”
källa: Stanford University
relaterade böcker
Drawdown: Den mest omfattande planen som någonsin föreslagits för att omvända global uppvärmning
av Paul Hawken och Tom Steyer
Mot bakgrund av utbredd rädsla och apati har en internationell koalition av forskare, yrkesverksamma och forskare kommit ihop för att erbjuda en rad realistiska och djärva lösningar på klimatförändringen. Ett hundra tekniker och metoder beskrivs här-några är välkända; något du kanske aldrig har hört talas om. De sträcker sig från ren energi för att utbilda flickor i låginkomstländer till markanvändningspraxis som drar kol ut ur luften. Lösningarna finns, är ekonomiskt lönsamma och samhällen runt om i världen håller för närvarande på att anta dem med skicklighet och beslutsamhet. Finns på Amazon
Utformning av klimatlösningar: En policyhandbok för lågkol Energi
av Hal Harvey, Robbie Orvis, Jeffrey Rissman
Med effekterna av klimatförändringar redan på oss är behovet av att minska de globala utsläppen av växthusgaser inget mindre än brådskande. Det är en skrämmande utmaning, men teknologierna och strategierna för att möta den finns idag. En liten uppsättning energipolicyer, utformade och genomförda väl, kan sätta oss på vägen till en koldioxidsnål framtid. Energisystem är stora och komplexa, så energipolitiken måste vara fokuserad och kostnadseffektiv. One-size-fits-all-tillvägagångssätt gör helt enkelt inte jobbet gjort. Politiska beslutsfattare behöver en tydlig och omfattande resurs som beskriver energipolitiken som kommer att ha störst inverkan på vår klimatframtid och beskriver hur man utformar dessa policyer väl. Finns på Amazon
Detta förändrar allt: Kapitalism vs. Klimat
av Naomi Klein
In Detta förändrar allt Naomi Klein hävdar att klimatförändringen inte bara är en annan fråga som ska lämnas snyggt mellan skatter och hälsovård. Det är ett larm som kräver att vi fixar ett ekonomiskt system som redan misslyckas på många sätt. Klein bygger noggrant fallet för hur massivt att minska våra utsläpp av växthusgaser är vår bästa chans att samtidigt minska ojämlikheterna i olikheterna, återinföra våra brutna demokratier och bygga om våra slagna lokala ekonomier. Hon avslöjar den ideologiska desperationen av klimatförändringsförnekarna, de geoengineers messianiska vansinne och den tragiska defeatismen av alltför många vanliga gröna initiativ. Och hon visar exakt varför marknaden inte har och kan inte fixa klimatkrisen, men kommer istället att göra saker värre, med alltmer extrema och ekologiskt skadliga utvinningsmetoder, tillsammans med katastrofal katastrofkapitalism. Finns på Amazon
Från Utgivaren:
Inköp på Amazon går för att täcka kostnaden för att få dig InnerSelf.comelf.com, MightyNatural.com, och ClimateImpactNews.com utan kostnad och utan annonsörer som spåra dina surfvanor. Även om du klickar på en länk men inte köper dessa valda produkter, betalar allt annat du köper i samma besök på Amazon oss en liten provision. Det finns ingen extra kostnad för dig, så var vänlig bidra till insatsen. Du kan också använd denna länk att använda till Amazon när som helst så att du kan hjälpa till att stödja våra ansträngningar.
Denna artikel publicerades ursprungligen på Futurity
