For en lav-kulstof cement opskrift, videnskabsmænd kigger på jordens gryder

Beton har givet os Pantheon i Rom, operahuset i Sydney, Hoover Dam og utallige blokede monolitter. Den kunstige sten dækker vores byer og veje, ligger til grund for vindmølleparker og solcellepaneler - og vil blive hældt i ton i infrastrukturprojekter støttet af COVID-genvindingsinvesteringer i USA og i udlandet.

Det koster meget for indsatsen for at bekæmpe klimaændringer, imidlertid, fordi cement - det bindende element, der er blandet med sand, grus og vand til at lave beton - er blandt de største industrielle bidragydere til global opvarmning.

"Beton er allestedsnærværende, fordi det er et af de mest overkommelige byggematerialer, det er let at manipulere og kan støbes til næsten enhver form, " sagde Tiziana Vanorio, lektor i geofysik ved Stanford University.

Men produktion af cement frigiver så meget som 8 procent af de årlige kuldioxidemissioner relateret til menneskelig aktivitet, og efterspørgslen forventes at stige i de kommende årtier, efterhånden som urbanisering og økonomisk udvikling driver opførelsen af ​​nye bygninger og infrastruktur. "Hvis vi vil trække kulstofemissionerne ned til de niveauer, der er nødvendige for at afværge katastrofale klimaændringer, vi er nødt til at ændre den måde, vi laver cement på, " sagde Vanorio.

Betons CO ₂ problemet starter med kalksten, en sten, der primært er lavet af calciumcarbonat. For at lave Portland cement - den pastaagtige hovedingrediens i moderne beton - udvindes kalksten, knust og bagt ved høj varme med ler og små mængder af andre materialer i kæmpeovne. Generering af denne varme involverer normalt afbrænding af kul eller andre fossile brændstoffer, tegner sig for mere end en tredjedel af de kulstofemissioner, der er forbundet med beton.

Varmen udløser en kemisk reaktion, der giver marmorstore grå klumper kendt som klinker, som derefter males til det fine pulver, vi genkender som cement. Reaktionen frigiver også kulstof, der ellers kunne forblive fastlåst i kalksten i hundreder af millioner af år. Dette trin bidrager med det meste af den resterende CO ₂ emissioner fra betonproduktion.

Med finansiering fra Strategic Energy Alliance ved Stanford's Precourt Institute for Energy, Vanorio og kolleger hos Stanford laver nu prototyper af cement, der eliminerer CO ₂ - opstødende kemisk reaktion ved at lave klinker med en vulkansk sten, der indeholder alle de nødvendige byggesten, men intet af kulstoffet.

Efterligner naturen

Som det mest brugte byggemateriale på planeten, beton har længe været et mål for genopfindelse. Forskere og virksomheder har fundet inspiration til nye opskrifter i koralrev, hummerskaller og de hammerlignende køller af mantisrejer. Andre erstatter delvist klinker med industriaffald som flyveaske fra kulværker eller injicerer opfanget kuldioxid i blandingen som en måde at skrumpe betonens klimapåvirkning. Præsident Joe Biden har opfordret til at udvide kulstoffangsten og brugen af ​​brintbrændstof i cementfremstilling for at hjælpe med at halvere de amerikanske drivhusgasemissioner fra 2005-niveauet inden 2030.

Vanorio foreslår at helt afskaffe kalksten og i stedet begynde med en sten, der kunne brydes i mange vulkanske områder rundt om i verden. "Vi kan tage denne sten, slibe det og derefter opvarme det til at producere klinker ved hjælp af det samme udstyr og den infrastruktur, der i øjeblikket bruges til at lave klinker af kalksten, " sagde Vanorio.

Varmt vand blandet med denne lavkulstofklinker omdanner den ikke kun til cement, men fremmer også væksten af ​​lange, sammenflettede kæder af molekyler, der ligner sammenfiltrede fibre, når de ses under et mikroskop. Lignende strukturer findes i klipper, der er naturligt cementeret i hydrotermiske miljøer - steder, hvor skoldet varmt vand cirkulerer lige under jorden - og i romerske betonhavne, som har overlevet 2, 000 års angreb fra ætsende saltvand og dunkende bølger, hvor moderne beton typisk ville smuldre inden for årtier.

Ligesom armeringsjernet almindeligvis brugt i moderne betonkonstruktioner for at forhindre revner, disse små mineralfibre bekæmper materialets sædvanlige skørhed. "Beton kan ikke lide at blive strakt. Uden en form for forstærkning, det vil knække, før det bøjer sig under stress, " sagde Vanorio, seniorforfatter til nyere artikler om mikrostrukturer i romersk havbeton og om klippefysikkens rolle i overgangen til en fremtid med lavt kulstofindhold. Det meste beton er nu armeret i stor skala ved hjælp af stål. "Vores idé er at forstærke det på nanoskala ved at lære, hvordan fibrøse mikrostrukturer effektivt forstærker sten, og de naturlige forhold, der producerer dem, " hun sagde.

Lektioner i healing og robusthed

Den proces, Vanorio forestiller sig for at omdanne en vulkansk sten til beton, ligner den måde, sten cementerer på i hydrotermiske miljøer. Findes ofte omkring vulkaner og over aktive tektoniske pladegrænser, hydrotermiske forhold gør det muligt for sten hurtigt at reagere og rekombinere ved temperaturer, der ikke er varmere end en hjemmeovn, bruge vand som et kraftigt opløsningsmiddel.

Som helbredende hud, revner og forkastninger i Jordens yderste lag cementerer sammen over tid gennem reaktioner blandt mineraler og varmt vand. "Naturen har været en stor inspirationskilde til innovative materialer, der efterligner biologisk liv, " sagde Vanorio. "Vi kan også hente inspiration fra jordprocesser, der muliggør helbredelse og skadesresiliens."

Fra mursten og smedede metal til glas og plastik, mennesker har længe lavet materialer ved hjælp af de samme kræfter, som driver Jordens klippekredsløb:varme, tryk og vand. Talrige arkæologiske og mineralogiske undersøgelser viser, at gamle romere kan have lært at udnytte vulkansk aske til den tidligste kendte betonopskrift ved at se den hærde, når den blandes naturligt med vand. "I dag har vi mulighed for at observere cementering med linsen fra det 21. århundredes teknologi og viden om miljøpåvirkninger, " sagde Vanorio.

I Stanford, hun har slået sig sammen med materialevidenskab og ingeniørprofessor Alberto Salleo for at gå ud over at efterligne geologi til at manipulere dens processer til specifikke resultater og mekaniske egenskaber ved hjælp af nanoskalateknik. "Det bliver mere og mere tydeligt, at cement kan konstrueres på nanoskala og også bør studeres i den skala, " sagde Salleo.

Udnyttelse af små defekter

Mange af cementens egenskaber afhænger af små defekter og af styrken af ​​bindingerne mellem de forskellige komponenter, sagde Salleo. De bittesmå fibre, der vokser og væver sig sammen under cementeringen af ​​pulveriserede sten, fungerer som strammereb, bibringer styrke. "Vi kan godt lide at sige, at materialer er som mennesker:det er defekterne i dem, der gør dem interessante, " han sagde.

I 2019 fik en vedvarende nysgerrighed over den ældgamle beton, han havde set blandt ruiner, da han voksede op i Rom, Salleo til at nå ud til Vanorio, hvis egen rejse ind i klippefysikken begyndte efter at have oplevet dynamikken i jordskorpen i sin barndom i en napolitansk havneby i centrum af en caldera, hvor romersk beton først blev konstrueret.

Siden da, Salleo er kommet for at se arbejdet med en kulstoffattig klinker inspireret af geologiske processer som en logisk pasform med hans gruppes projekter relateret til bæredygtighed, såsom lavprissolceller baseret på plastmaterialer og elektrokemiske apparater til energilagring.

"At tænke på en kulstoffattig klinker er en anden måde at reducere mængden af ​​CO på ₂ som vi sender ud i atmosfæren, " sagde han. Men det er kun begyndelsen. "Jorden er et gigantisk laboratorium, hvor materialer blandes ved høje temperaturer og højt tryk. Hvem ved, hvor mange andre interessante og i sidste ende nyttige strukturer der er derude?"