Μάσκες προστασίας και σπασμένο γυαλί: Πράσινα συστατικά για ουδέτερο κλιματικά σκυρόδεμα

Disclaimer: Απαγορεύεται η αναδημοσίευση, αναπαραγωγή, ολική, μερική ή περιληπτική ή κατά παράφραση ή διασκευή ή απόδοση του περιεχομένου του παρόντος διαδικτυακού τόπου με οποιονδήποτε τρόπο, χωρίς αναφορά στο RAWMATHUB.GR (με ενεργό link) ή χωρίς την προηγούμενη γραπτή άδεια του RAWMATHUB.GR. 

Το σκυρόδεμα έχει χρησιμοποιηθεί ως δομικό υλικό ευρέως εδώ και πάρα πολλά χρόνια και παραμένει δημοφιλές μέχρι σήμερα, και όχι χωρίς λόγο. Είναι φθηνό, διαθέτει αντοχή, είναι απλό στην παραγωγή του και διαρκεί για αρκετά χρόνια. Η παγκόσμια χρήση σκυροδέματος σήμερα ανέρχεται σε περίπου 30 δισ. τόνους ετησίως, με τη ζήτηση να αναμένεται να είναι μόνο αυξητική.

Το τεράστιο αποτύπωμα άνθρακα του σκυροδέματος προέρχεται σε μεγάλο βαθμό από ένα βασικό συστατικό: το τσιμέντο. Αυτό προστίθεται στην άμμο, το χαλίκι και το νερό για να σχηματίσει υγρό σκυρόδεμα που μπορεί να χυτευτεί σε καλούπια για να σχηματιστούν επιθυμητές δομές καθώς στεγνώνει. Αλλά η παραγωγή τσιμέντου είναι μακράν το πιο εντατικό μέρος της διαδικασίας όσον αφορά στις εκπομπές άνθρακα.

Ειδικότερα, η παραγωγή τσιμέντου περιλαμβάνει τη χρήση ορυκτών καυσίμων για τη θέρμανση ασβεστόλιθου και αργίλου σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες, περίπου 1.400°C. Αυτό όχι μόνο απαιτεί τεράστια ποσά ενέργειας, αλλά απαιτεί επίσης ασβεστόλιθο που είναι μια ορυκτή πρώτη ύλη η οποία μετά την εξόρυξή της πρέπει να κατατμηθεί πριν χρησιμοποιηθεί στο τσιμέντο. Αυτή η η κατεργασία επίσης απελευθερώνει τεράστιες ποσότητες αποθηκευμένου διοξειδίου του άνθρακα, ποσότητας περίπου 600 kg για κάθε τόνο τσιμέντου που παράγεται. Συνολικά, η παραγωγή τσιμέντου αντιπροσωπεύει περίπου το 8% των παγκοσμίων εκπομπών άνθρακα.

Ο ασβεστόλιθος, ως βασικό συστατικό του τσιμέντου, αποτελεί βασικό σημείο έρευνας από τους επιστήμονες για την εξεύρεση πιο περιβαλλοντικά φιλικών εναλλακτικών λύσεων. Το 2021, ερευνητές στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ ανακάλυψαν μία συνταγή τσιμέντου χαμηλών εκπομπών άνθρακα, στην οποία ο ασβεστόλιθος αντικαταστάθηκε από ηφαιστειακό πέτρωμα. Αυτό το υλικό πρέπει να υποβληθεί σε επεξεργασία με τον ίδιο ενεργοβόρο τρόπο για να σχηματιστεί τσιμέντο, αλλά δεν περιέχει αποθηκευμένο άνθρακα που θα απελευθερωνόταν στην ατμόσφαιρα.

Επίσης πέρυσι, μια άλλη ενδιαφέρουσα προσέγγιση προήλθε από επιστήμονες στη Γερμανία και τη Βραζιλία, των οποίων η συνταγή για τσιμέντο χαμηλών εκπομπών άνθρακα χρησιμοποίησε ένα άφθονο απόβλητο εξόρυξης που ονομάζεται άργιλος Belterra, το οποίο θα μπορούσε να αντικαταστήσει το 50 έως 60% του ασβεστόλιθου. Αυτη η διαδικασία αφήνει περισσότερο άνθρακα δεσμευμένο στο έδαφος, ενώ το υλικό μπορεί επίσης να ψηθεί σε χαμηλότερες θερμοκρασίες. Η άργιλος Belterra βρέθηκε ότι πληροί τα κριτήρια απόδοσης για το παραδοσιακό τσιμέντο, αλλά με μια συνταγή που μειώνει τις εκπομπές άνθρακα έως και 66%.

Ένα ιδιαίτερα ενδιαφέρον παράδειγμα τσιμέντου χαμηλών εκπομπών άνθρακα δημοσίευσαν νωρίτερα φέτος από επιστήμονες στο University of Colorado Boulder, οι οποίοι χρησιμοποίησαν μικροσκοπικά μικροφύκη που δεσμεύουν με φυσικό τρόπο το διοξείδιο του άνθρακα και το μετατρέπουν σε κελύφη ανθρακικού ασβεστίου που περιέγραψαν ως «armor of limestone». Οι επιστήμονες μπόρεσαν να εκθρέψουν αυτά τα μικροφύκη και να τα βάλουν να παράγουν αυτόν τον βιολογικά αναπτυγμένο ασβεστόλιθο, με σκοπό την εν συνεχεία ενσωμάτωσή του στην παραγωγή τσιμέντου αντί για το αντίστοιχα εξορυσσόμενο υλικό.

Αυτό που έκανε αυτό το κομμάτι της έρευνας τόσο συναρπαστικό, ήταν ότι το προκύπτον σκυρόδεμα, όχι μόνο έμοιαζε και συμπεριφερόταν σαν κανονικό σκυρόδεμα, αλλά θα μπορούσε στην πραγματικότητα να είναι ουδέτερο ή ακόμη και αρνητικό ως προς τις εκπομπές άνθρακα. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι τα μικροφύκη δεσμεύουν περισσότερο διοξείδιο του άνθρακα για να τροφοδοτήσουν την παραγωγή ανθρακικού ασβεστίου από αυτό που παράγεται μέσω της διαδικασίας.

Η ιδέα έλαβε επιχορήγηση 3,2 εκατ. δολαρίων για να εργαστεί η ομάδα για την αύξηση της κλίμακας της παραγωγής του βιογενούς ασβεστόλιθου και του σκυροδέματος ουδέτερου άνθρακα. Η εκτίμηση είναι ότι 1-2 εκατ. στρέμματα ανοιχτών λιμνών θα παρείχαν αρκετό χώρο για την καλλιέργεια των μικροφυκών που απαιτούνται για την κάλυψη των συνολικών απαιτήσεων τσιμέντου στις ΗΠΑ.

Αν και η ελαστικότητα του σκυροδέματος είναι ένα από τα ελκυστικά χαρακτηριστικά του, αυτό δε σημαίνει ότι δεν υπάρχει χώρος για βελτίωση. Όταν σχηματίζονται ρωγμές σε κατασκευές από σκυρόδεμα, για παράδειγμα, δημιουργούνται δίοδοι για την είσοδο νερού στο εσωτερικό του, γεγονός που μπορεί να περιορίσει σημαντικά την αντοχή του σκυροδέματος. Σε αυτή την περίπτωση, η συντήρηση γίνεται κοστοβόρα ή μπορεί ακόμη και να απαιτηθεί πλήρης αντικατάσταση. Αυτό αυξάνει έμμεσα το αποτύπωμα άνθρακα του υλικού, αλλά υπάρχουν μερικές ενδιαφέρουσες λύσεις.

Αυτές περιλαμβάνουν μορφές σκυροδέματος που διαθέτουν μια ειδική κόλλα για τις ρωγμές, και άλλες που γεμίζουν τις ρωγμές με μύκητες. Μια εκδοχή αυτού του «self-healing» σκυροδέματος προήλθε από επιστήμονες στο Worcester Polytechnic Institute πέρυσι οι οποίοι χρησιμοποίησαν ένα ένζυμο που βρέθηκε στο ανθρώπινο αίμα και το οποίο μπορούσε να μετατραπεί σε σκόνη σκυροδέματος.

Όταν σχηματίζεται μια μικρή ρωγμή στο σκυρόδεμα, αυτό το ένζυμο αντιδρά με το CO₂ στον αέρα για να παράγει κρυστάλλους ανθρακικού ασβεστίου, οι οποίοι στη συνέχεια γεμίζουν τα κενά. Σε δοκιμές, το σκυρόδεμα αποδείχθηκε ικανό να αυτο-επισκευάσει τις ρωγμές του μέσα σε 24 ώρες, με τους επιστήμονες να προβλέπουν ότι η τεχνολογία θα μπορούσε να παρατείνει τη διάρκεια ζωής των κατασκευών από σκυρόδεμα κατά 20 έως 80 χρόνια.

Ένας από τους άλλους τρόπους με τους οποίους οι επιστήμονες αναζητούν να ενισχύσουν την ανθεκτικότητα του σκυροδέματος είναι, και ίσως δεν αποτελεί έκπληξη, το ισχυρότερο τεχνητό υλικό στον κόσμο. Η ενσωμάτωση γραφενίου στο σκυρόδεμα έχει αποδειχθεί ότι το κάνει πιο ισχυρό και πιο ανθεκτικό στο νερό.

Το σκυρόδεμα «Concretene» που παρήχθηκε από ερευνητές στο Πανεπιστήμιο του Manchester διαθέτει μικροσκοπικές ποσότητες γραφενίου που προστίθενται στο νερό και το τσιμέντο για να λειτουργήσουν ως μηχανική υποστήριξη και να ενισχύσουν τις χημικές αντιδράσεις που μετατρέπουν το μείγμα σε σκυρόδεμα. Το αποτέλεσμα είναι ένα σκυρόδεμα με ισχυρότερους δεσμούς και περίπου 30% μεγαλύτερη αντοχή. Το ενισχυμένο με γραφένιο σκυρόδεμα χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά παγκοσμίως σε πλάκα κτιρίου στην Αγγλία το 2021, όπου οι μηχανικοί θα έχουν την ευκαιρία να παρακολουθήσουν την απόδοσή του.

Η σκέψη είναι ότι επειδή το σκυρόδεμα με ενίσχυση γραφενίου είναι πολύ ισχυρότερο από το παραδοσιακό σκυρόδεμα, χρειάζεται να χρησιμοποιηθεί λιγότερο από αυτό για να επιφέρει την ίδια δομική αντοχή σε ένα κτίριο. Η επιστημονική ομάδα που εργάζεται με αυτό το υλικό, υπολογίζει ότι εάν η τεχνολογία αναπτυσσόταν σε ολόκληρη την παγκόσμια αλυσίδα εφοδιασμού σκυροδέματος, θα μπορούσε να μειώσει περίπου το 2% των παγκόσμιων εκπομπών άνθρακα.

Πράγματι, η ενίσχυση του σκυροδέματος και η καλύτερη απόδοσή του μπορεί να βοηθήσει να πειστούν οι κατασκευαστές να υιοθετήσουν πιο «πράσινες» μορφές σκυροδέματος και αυτό μπορεί να μην σχετίζεται μόνο με το άμεσο αποτύπωμα άνθρακα. Έχουμε δει επιστήμονες να γίνονται αρκετά δημιουργικοί με την ενσωμάτωση αποβλήτων στο σκυρόδεμα για να βοηθήσουν όχι μόνο την ανακύκλωση, αλλά και να ενισχύσουν τις ιδιότητες του υλικού.

Το 2019, επιστήμονες στο Πανεπιστήμιο Deakin της Αυστραλίας πήραν μη ανακυκλώσιμο γυαλί και του έδωσαν μορφή χονδρόκοκκης σκόνης, η οποία θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί στη θέση της άμμου ως αδρανές υλικό για το σκυρόδεμα, τεχνική που κατέστησε το σκυρόδεμα σημαντικά ισχυρότερο.

Τα απορριπτόμενα ελαστικά από καουτσούκ είναι ένα άλλο απόβλητο υλικό που προσελκύει σημαντικό ενδιαφέρον, και το οποίο μπορεί να κατατμηθεί και να χρησιμοποιηθεί στη θέση της άμμου ή του χαλικιού ως αδρανές υλικό. Ερευνητές στο Πανεπιστήμιο RMIT έκαναν ένα εντυπωσιακό βήμα προς τα εμπρός, επιδεικνύοντας μια μορφή σκυροδέματος που περιείχε 100% καουτσούκ από ελαστικά ως αδρανές υλικό και παρουσίασε σημαντικές βελτιώσεις στις ιδιότητες θλίψης, κάμψης και αντοχής σε εφελκυσμό.

Το 2017, οι επιστήμονες του MIT ανέπτυξαν μια μορφή σκυροδέματος που χρησιμοποιούσε ακτινοβολημένα πλαστικά μπουκάλια νερού. Η προσέγγισή τους περιελάμβανε την έκθεση των απορριπτόμενων πλαστικών μπουκαλιών σε ακτινοβολία γάμμα, πριν τα λιώσουν και αναμειχθούν σε τσιμέντο μαζί με ιπτάμενη τέφρα. Το σκυρόδεμα που προέκυψε αποδείχθηκε 15% ισχυρότερο σε σχέση με το συμβατικό σκυρόδεμα.

Υπάρχουν επίσης επιστήμονες που προσπαθούν να αξιοποιήσουν τις τεράστιες ποσότητες αποβλήτων που προέκυψαν από την πανδημία του κορωνοϊού. Ερευνητές του Πανεπιστημίου RMIT επέδειξαν μια άλλη μορφή φιλικού προς το περιβάλλον σκυροδέματος που ενσωματώνει μέσα ατομικής προστασίας (μάσκες, κ.λπ.), 54 τόνοι από τα οποία παράγονται καθημερινά.

Προστατευτικά ρούχων, μάσκες προσώπου και γάντια από καουτσούκ τεμαχίστηκαν και ενσωματώθηκαν στο σκυρόδεμα σε διαφορετικές αναλογίες. Τα γάντια από καουτσούκ διαπιστώθηκε ότι ενίσχυσαν τη θλιπτική αντοχή έως και 22%, ενώ οι μάσκες προσώπου τη βελτίωσαν έως και 17%. Τα τεμαχισμένα προστατευτικά ρούχων βελτίωσαν την αντοχή σε θλίψη κατά 15%, την ελαστικότητα κατά 12% και την αντοχή σε τάσεις κάμψης έως και 21%.

Δεδομένου ότι αυτού του είδους τα ερευνητικά έργα και οι διάφορες μορφές πειραματικού σκυροδέματος βρίσκονται ακόμα στα πρώτα στάδια ανάπτυξης, υπάρχει πολύς δρόμος να διανύσουμε μέχρι να τα δούμε να μας απαλλάσσουν από τις εκπομπές άνθρακα που σχετίζονται με την παραγωγή σκυροδέματος. Ωστόσο, υποδεικνύουν τις πολλές δυνατότητες όσον αφορά στο πώς θα μπορούσαμε να μειώσουμε τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις αυτού του τόσο διαδεδομένου υλικού. Ακόμη και μικρές μειώσεις στο αποτύπωμα άνθρακα, θα μπορούσαν να σηματοδοτήσουν μερικά μεγάλα βήματα προς τα εμπρός.

Με πληροφορίες από newatlas.com

ΜΕΤΑΦΡΑΣΗ - ΕΠΙΜΕΛΕΙΑ: ΣΥΝΤΑΚΤΙΚΗ ΟΜΑΔΑ RAWMATHUB.GR