Το πιο διαδεδομένο δομικό υλικό στον πλανήτη κρύβει μια λιγότερο γνωστή ιδιότητα: το τσιμέντο —η «κόλλα» που δίνει συνοχή στο σκυρόδεμα— δεν παραμένει αδρανές. Με την πάροδο του χρόνου, το τσιμέντο αλληλεπιδρά με το περιβάλλον και «δεσμεύει» σταδιακά διοξείδιο του άνθρακα (CO₂) από την ατμόσφαιρα, αποθηκεύοντας έτσι σημαντικές ποσότητες κατά τη διάρκεια ζωής κτιρίων και υποδομών. Μια νέα μελέτη του MIT Concrete Sustainability Hub επιχειρεί να αποτυπώσει ποσοτικά αυτό το φαινόμενο.
Η μελέτη του MIT Concrete Sustainability Hub επιχειρεί να αποτυπώσει ποσοτικά αυτό το φαινόμενο -την απορρόφηση άνθρακα από τσιμεντοειδή υλικά- για πρώτη φορά σε εθνική κλίμακα. Με μια νέα μεθοδολογική προσέγγιση, οι ερευνητές εκτίμησαν ότι το τσιμέντο σε κτίρια και υποδομές στις ΗΠΑ «κλειδώνει» πάνω από 6,5 εκατ. μετρικούς τόνους CO₂ κάθε χρόνο. Η ποσότητα αυτή αντιστοιχεί περίπου στο 13% των εκπομπών που συνδέονται με την παραγωγή τσιμέντου (δηλαδή του CO₂ που προκύπτει από την ίδια τη χημική αντίδραση). Αντίστοιχα, στο Μεξικό, το υφιστάμενο κτιριακό απόθεμα εκτιμάται ότι δεσμεύει περίπου 5 εκατ. τόνους CO₂ ετησίως.
Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζουν και τα ευρήματα σχετικά με το τι ενισχύει τη δέσμευση CO₂. Κρίσιμος παράγοντας είναι η επιφάνεια του σκυροδέματος που εκτίθεται στον αέρα: πρακτικές όπως η αποφυγή βαφής ή πλακόστρωσης, αλλά και επιλογές σχεδιασμού (π.χ. πλάκες με μεγαλύτερη αναλογία επιφάνειας προς όγκο) μπορούν να αυξήσουν την απορρόφηση. Παράλληλα, η μεθοδολογία του MIT θα μπορούσε να εφαρμοστεί και σε άλλες χώρες, συνδυάζοντας διεθνείς βάσεις δεδομένων για το κτιριακό απόθεμα με εθνικά στοιχεία παραγωγής τσιμέντου. Έτσι, ανοίγει ο δρόμος για πιο τεκμηριωμένες εκτιμήσεις, αλλά και για σχεδιασμό κατασκευών που μεγιστοποιούν -με ασφάλεια- τη δέσμευση άνθρακα.
Μεθοδολογία και υπολογισμοί
Η επιστημονική κοινότητα γνωρίζει εδώ και πολλά χρόνια τον μηχανισμό με τον οποίο το τσιμέντο δεσμεύει διοξείδιο του άνθρακα. Το CO₂ διεισδύει στο σκυρόδεμα ή στο κονίαμα – το υλικό που συγκολλά τούβλα και πέτρες – μέσω του πορώδους δικτύου μικροσκοπικών κενών. Εκεί αντιδρά με τα πλούσια σε ασβέστιο προϊόντα ενυδάτωσης του τσιμέντου και μετατρέπεται σε μια σταθερή φάση, το ανθρακικό ασβέστιο.
Η χημική διαδικασία είναι καλά τεκμηριωμένη αλλά αυτό που μέχρι σήμερα παρέμενε ασαφές ήταν η πραγματική κλίμακα του φαινομένου. Η απορρόφηση δεν είναι ομοιόμορφη. Ένας αυτοκινητόδρομος από σκυρόδεμα στο Ντάλας «συμπεριφέρεται» διαφορετικά από πολυκατοικίες στο Μεξικό που είναι χτισμένες με τσιμεντόλιθους (Concrete Masonry Units, CMUs), ενώ μια πλάκα θεμελίων θαμμένη κάτω από το χιόνι στην Αλάσκα ανθρακώνεται με τελείως διαφορετικό ρυθμό.
Όπως εξηγεί ο Hessam AzariJafari, κύριος συγγραφέας της μελέτης και ερευνητής στο MIT, η απορρόφηση άνθρακα εξαρτάται έντονα από το περιβάλλον. Τρεις βασικοί παράγοντες τη διαμορφώνουν: το είδος του τσιμέντου, το τελικό προϊόν (σκυρόδεμα, κονίαμα ή τσιμεντόλιθος), η γεωμετρία της κατασκευής, καθώς και οι κλιματικές και περιβαλλοντικές συνθήκες έκθεσης. Ακόμη και μέσα στο ίδιο κτίριο, ο ρυθμός ανθράκωσης μπορεί να διαφέρει έως και πέντε φορές μεταξύ διαφορετικών δομικών στοιχείων. Ακριβώς επειδή καμία κατασκευή δεν απορροφά CO₂ με τον ίδιο τρόπο, η εκτίμηση της απορρόφησης σε εθνικό επίπεδο θα απαιτούσε θεωρητικά την ανάλυση αναρίθμητων στοιχείων: πλακών, τοίχων, δοκών, υποστυλωμάτων, πεζοδρομίων κ.λπ., καθένα με διαφορετική ηλικία, σύνθεση και συνθήκες έκθεσης.
Μια τέτοια προσέγγιση θα ήταν πρακτικά ανεφάρμοστη – σαν να προσπαθεί κανείς να μετρήσει κάθε κόκκο άμμου σε μια παραλία. Για να ξεπεράσουν αυτό το εμπόδιο, οι ερευνητές ανέπτυξαν εκατοντάδες «αρχέτυπα» – τυπικά μοντέλα που αντιπροσωπεύουν συνηθισμένους τύπους κτιρίων και υποδομών. Όπως χαρτογραφεί κανείς τη μορφολογία μιας ακτής για να εκτιμήσει την ποσότητα άμμου, έτσι και η ομάδα χρησιμοποίησε αυτά τα πρότυπα για να υπολογίσει πώς και πόσο CO₂ δεσμεύει κάθε κατηγορία κατασκευής σε διαφορετικά περιβάλλοντα. Στη συνέχεια, τα συνέδεσε με δεδομένα για τη γεωγραφική τους κατανομή στις ΗΠΑ και το Μεξικό, επιτρέποντας μια πιο ρεαλιστική εκτίμηση της συνολικής απορρόφησης.
Αποτελέσματα της ανάλυσης
Από την ανάλυση προέκυψαν δύο καθοριστικοί παράγοντες. Ο πρώτος αφορά τον ρυθμό νέων κατασκευών, δηλαδή το πόσο γρήγορα προστίθεται νέο τσιμέντο στο κτιριακό απόθεμα. Ο δεύτερος σχετίζεται με την αναλογία κονιάματος προς σκυρόδεμα, καθώς τα πιο πορώδη κονιάματα δεσμεύουν CO₂ έως και δέκα φορές ταχύτερα από το πυκνότερο σκυρόδεμα.
Σε περιοχές όπου η χρήση κονιάματος είναι αυξημένη, η απορρόφηση αντιστοιχεί σε μεγαλύτερο ποσοστό των εκπομπών παραγωγής. Ιδιαίτερη περίπτωση αποτελεί το Μεξικό. Παρότι καταναλώνει περίπου τη μισή ποσότητα τσιμέντου σε σχέση με τις ΗΠΑ, εμφανίζει περίπου τα τρία τέταρτα της απορρόφησης άνθρακα. Αυτό αποδίδεται στη μεγαλύτερη χρήση κονιαμάτων, σκυροδέματος χαμηλότερης αντοχής και τσιμέντου σε σάκους που αναμειγνύεται επιτόπου — πρακτικές που ενισχύουν τη δέσμευση CO₂, η οποία φτάνει περίπου το ένα τέταρτο των εκπομπών από την παραγωγή τσιμέντου. Βεβαίως, απαιτείται προσοχή στα στοιχεία οπλισμένου σκυροδέματος, καθώς η ανθράκωση μπορεί να μειώσει την αλκαλικότητα και να επιταχύνει τη διάβρωση του χάλυβα.
Ωστόσο, υπάρχουν τρόποι να ενισχυθεί η απορρόφηση χωρίς αρνητικές επιπτώσεις. Όπως σημειώνει ο Randolph Kirchain, διευθυντής του MIT Concrete Sustainability Hub, η αύξηση της επιφάνειας που εκτίθεται στον αέρα – για παράδειγμα μέσω αποφυγής βαφής ή πλακόστρωσης ή μέσω σχεδιασμών με υψηλότερη αναλογία επιφάνειας προς όγκο – μπορεί να επιταχύνει τη διαδικασία. Παράλληλα, η αποφυγή υπερβολικά ισχυρών και λιγότερο πορωδών μιγμάτων, όταν δεν απαιτούνται, συμβάλλει τόσο στη μεγαλύτερη απορρόφηση όσο και στη μείωση της κατανάλωσης τσιμέντου.
Οι ερευνητές επισημαίνουν επίσης ότι υπάρχει περιθώριο βελτίωσης στον τρόπο με τον οποίο η απορρόφηση άνθρακα αποτυπώνεται στα εθνικά αποθέματα εκπομπών. Η ενσωμάτωση επικαιροποιημένων επιστημονικών δεδομένων σε διεθνή πλαίσια αναφοράς, όπως αυτά της IPCC, θα μπορούσε να οδηγήσει σε ακριβέστερη αποτύπωση της πραγματικής συμβολής των τσιμεντοειδών υλικών. Η μελέτη, που δημοσιεύθηκε στα Πρακτικά της Εθνικής Ακαδημίας Επιστημών, προσφέρει την πρώτη συστηματική downstream εκτίμηση της απορρόφησης άνθρακα σε εθνικό επίπεδο. Καθώς η απανθρακοποίηση του δομημένου περιβάλλοντος αποτελεί κεντρικό στόχο της κλιματικής πολιτικής, η κατανόηση των φυσικών διεργασιών που ήδη λαμβάνουν χώρα στις κατασκευές μας μπορεί να αποδειχθεί εξίσου κρίσιμη με τις τεχνολογικές καινοτομίες του μέλλοντος.
Στην ομάδα μελέτης, εκτός από τους AzariJafari και Kirchain, συμμετείχε η ερευνήτρια του MIT Elizabeth Moore του MIT Climate Project και οι πρώην μεταδιδακτορικές Ipek Bensu Manav SM ’21, PhD ’24 και Motahareh Rahimi, μαζί με τους Bruno Huet και Christophe Levy από το Κέντρο Καινοτομίας Holcim στη Γαλλία.
