Laut einer neuen Studie könnte das Ersetzen nur eines der Hauptbestandteile von Beton durch Vulkangestein die Kohlenstoffemissionen bei der Herstellung des Materials um fast zwei Drittel reduzieren.
Beton hat uns das Pantheon in Rom, das Sydney Opera House, den Hoover Dam und unzählige Blockmonolithen beschert. Der künstliche Fels bedeckt unsere Städte und Straßen, liegt unter Windparks und Solarpanel-Arrays – und wird tonnenweise in Infrastrukturprojekte gegossen, die durch COVID-Wiederherstellungsinvestitionen in den USA und im Ausland unterstützt werden.
Dies ist jedoch mit hohen Kosten für die Bemühungen zur Bekämpfung des Klimawandels verbunden, denn Zement– das Bindemittel, das mit Sand, Kies und Wasser vermischt wird, um Beton herzustellen – zählt zu den größten industriellen Faktoren, die zur globalen Erwärmung beitragen.
„Beton ist allgegenwärtig, weil er eines der günstigsten Baumaterialien ist, leicht bearbeitet und in nahezu jede Form gebracht werden kann“, sagt Tiziana Vanorio, außerordentliche Professorin für Geophysik an der Stanford University.
Die Zementproduktion verursacht jedoch bis zu 8 % der jährlichen Kohlendioxidemissionen im Zusammenhang mit menschlichen Aktivitäten, und die Nachfrage wird in den kommenden Jahrzehnten voraussichtlich steigen, da die Urbanisierung und die wirtschaftliche Entwicklung den Bau neuer Gebäude und Infrastruktur vorantreiben.
„Wenn wir die COXNUMX-Emissionen auf das Niveau senken wollen, das zur Abwendung eines katastrophalen Klimawandels erforderlich ist, müssen wir die Art und Weise ändern, wie wir Zement herstellen“, sagt Vanorio.
Korallenriffe, Hummerschalen und Fangschreckenkrebse
CO . von Beton2 Das Problem beginnt mit Kalkstein, einem Gestein, das hauptsächlich aus Kalziumkarbonat besteht. Zur Herstellung von Portlandzement – dem pastösen Hauptbestandteil des modernen Betons – wird Kalkstein abgebaut, zerkleinert und bei hoher Hitze mit Ton und kleinen Mengen anderer Materialien in riesigen Öfen gebrannt. Die Erzeugung dieser Wärme erfordert normalerweise die Verbrennung von Kohle oder anderen fossilen Brennstoffen, die für mehr als ein Drittel der mit Beton verbundenen COXNUMX-Emissionen verantwortlich sind.
Die Hitze löst eine chemische Reaktion aus, die marmorgroße graue Klumpen ergibt, die als . bekannt sind Klinker, die dann zu dem feinen Pulver gemahlen werden, das wir als Zement erkennen. Die Reaktion setzt auch Kohlenstoff frei, der sonst Hunderte von Millionen Jahren im Kalkstein eingeschlossen bleiben könnte. Dieser Schritt trägt den größten Teil des verbleibenden CO . bei2 Emissionen aus der Betonherstellung.
Vanorio und Kollegen entwickeln jetzt Prototypen von Zement, der das CO eliminate eliminiert2- Aufstoßen chemischer Reaktion durch Herstellung von Klinker mit a Vulkangestein das alle notwendigen Bausteine enthält, aber keinen Kohlenstoff.
Als der am häufigsten verwendete Baustoff der Welt ist Beton seit langem ein Ziel für Neuerfindungen. Forscher und Unternehmen haben in Korallenriffen, Hummerschalen und den hammerartigen Keulen von . Inspiration für neue Rezepte gefunden Mantisgarnele. Andere ersetzen Klinker teilweise durch Industrieabfälle wie Flugasche aus Kohlekraftwerken oder injizieren eingefangenes Kohlendioxid in die Mischung, um die Klimabelastung von Beton zu verringern.
Präsident Joe Biden hat dazu aufgerufen, die Kohlenstoffabscheidung und die Verwendung von Wasserstoff als Brennstoff in der Zementherstellung auszuweiten, um dazu beizutragen, die Treibhausgasemissionen der USA bis 2005 gegenüber dem Niveau von 2030 zu halbieren.
Überspringe den Kalkstein
Vanorio schlägt vor, ganz auf Kalkstein zu verzichten und stattdessen mit einem Gestein zu beginnen, das in vielen vulkanischen Regionen der Welt abgebaut werden könnte. „Wir können dieses Gestein nehmen, mahlen und dann erhitzen, um Klinker herzustellen, wobei wir die gleiche Ausrüstung und Infrastruktur verwenden, die derzeit zur Herstellung von Klinker aus Kalkstein verwendet wird“, sagt sie.
Heißes Wasser, gemischt mit diesem kohlenstoffarmen Klinker, verwandelt ihn nicht nur in Zement, sondern fördert auch das Wachstum langer, ineinander verschlungener Molekülketten, die unter dem Mikroskop wie verschlungene Fasern aussehen. Ähnliche Strukturen gibt es in Gesteinen, die in hydrothermalen Umgebungen natürlich zementiert sind – Orte, an denen heißes Wasser knapp unter der Erde zirkuliert – und in römischen Betonhäfen, die 2,000 Jahre Angriff durch korrosives Salzwasser und tosende Wellen überstanden haben, wo moderner Beton normalerweise innerhalb von Jahrzehnten zerbröckelt.
Wie die in modernen Betonkonstruktionen üblichen Bewehrungsstäbe gegen Rissbildung bekämpfen diese winzigen Mineralfasern die übliche Sprödigkeit des Materials.
„Beton mag es nicht, gedehnt zu werden. Ohne irgendeine Art von Verstärkung wird es brechen, bevor es sich unter Belastung verbiegt“, sagt Vanorio, leitender Autor neuer Veröffentlichungen über Mikrostrukturen in römischem Marinebeton und über die Rolle von Gesteinsphysik beim Übergang in eine kohlenstoffarme Zukunft. Der größte Teil des Betons wird heute in großem Maßstab mit Stahl verstärkt.
„Unsere Idee ist es, es im Nanomaßstab zu verstärken, indem wir lernen, wie faserige Mikrostrukturen Gesteine und die natürlichen Bedingungen, die sie produzieren, effektiv verstärken“, sagt sie.
Lektionen in Heilung und Resilienz
Der Prozess, den Vanorio für die Transformation vorsieht Vulkangestein in Beton ähnelt der Art und Weise, wie Zement in hydrothermalen Umgebungen gesteint wird. Hydrothermale Bedingungen, die oft in der Nähe von Vulkanen und über aktiven tektonischen Plattengrenzen gefunden werden, ermöglichen es Gesteinen, schnell zu reagieren und bei Temperaturen zu rekombinieren, die nicht heißer sind als ein Haushaltsofen, wobei Wasser als starkes Lösungsmittel verwendet wird.
Wie heilende Haut verkleben Risse und Fehler in der äußersten Schicht der Erde im Laufe der Zeit durch Reaktionen zwischen Mineralien und heißem Wasser. „Die Natur war eine großartige Inspirationsquelle für innovative Materialien, die biologisches Leben nachahmen“, sagt Vanorio. „Wir können uns auch von Erdprozessen inspirieren lassen, die Heilung und Widerstandsfähigkeit gegen Schäden ermöglichen.“
Von Ziegeln und geschmiedetem Metall bis hin zu Glas und Kunststoff haben Menschen seit langem Materialien mit den gleichen Kräften hergestellt, die den Gesteinskreislauf der Erde antreiben: Hitze, Druck und Wasser. Zahlreiche archäologische und mineralogische Studien weisen darauf hin, dass die alten Römer möglicherweise gelernt haben, Vulkanasche für das früheste bekannte Betonrezept zu nutzen, indem sie beobachteten, wie sie auf natürliche Weise mit Wasser vermischt wurde.
„Heute haben wir die Möglichkeit, die Zementierung mit der Linse der Technologie des 21. Jahrhunderts und dem Wissen um Umweltauswirkungen zu beobachten“, sagt Vanorio.
Vanorio hat sich mit Alberto Salleo, Professor für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen, zusammengetan, um über die Nachahmung der Geologie hinauszugehen und ihre Prozesse mit Hilfe von Nanotechnologie für bestimmte Ergebnisse und mechanische Eigenschaften zu manipulieren. „Es wird immer deutlicher, dass Zement im Nanomaßstab konstruiert werden kann und auch in diesem Maßstab untersucht werden sollte“, sagt Salleo.
Umfassen von Betonmängeln
Viele Eigenschaften von Zement hängen von kleinen Defekte und auf der Stärke der Verbindungen zwischen den verschiedenen Komponenten, sagt Salleo. Die winzigen Fasern, die bei der Zementierung von pulverisiertem Gestein wachsen und sich verweben, wirken wie Spannseile und verleihen Kraft. „Wir sagen gerne, dass Materialien wie Menschen sind: Es sind ihre Fehler, die sie interessant machen“, sagt er.
Im Jahr 2019 veranlasste Salleo eine bleibende Neugier auf den alten Beton, den er als Kind in Rom zwischen Ruinen gesehen hatte, sich an Vanorio zu wenden, dessen eigene Reise in die Gesteinsphysik begann, nachdem sie während ihrer Kindheit in einem neapolitanischen . die Dynamik der Erdkruste erlebt hatte Hafenstadt im Zentrum einer Caldera, in der zuerst römischer Beton hergestellt wurde.
Seitdem sieht Salleo die Arbeit an einem kohlenstoffarmen Klinker, der von geologischen Prozessen inspiriert ist, als logische Ergänzung zu den Nachhaltigkeitsprojekten seiner Gruppe, wie beispielsweise kostengünstigen Solarzellen auf Kunststoffbasis und elektrochemischen Geräten zur Energiespeicherung.
„Der Gedanke an einen kohlenstoffarmen Klinker ist eine weitere Möglichkeit, die Menge an CO2 zu reduzieren, die wir in die Atmosphäre aussenden“, sagt er. Aber es ist nur der Anfang. „Die Erde ist ein gigantisches Labor, in dem sich Materialien bei hohen Temperaturen und hohem Druck vermischen. Wer weiß, wie viele andere interessante und letztendlich nützliche Strukturen es da draußen gibt?“
Quelle: Stanford University
Bücher zum Thema
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Dieser Artikel erschien ursprünglich auf Zukunft
