Concrete heeft ons het Pantheon in Rome gegeven, het Sydney Opera House, de Hoover Dam en talloze blokvormige monolieten. De kunstmatige rots bedekt onze steden en wegen, ligt ten grondslag aan windparken en zonnepanelen - en zal door de tonnen worden gegoten in infrastructuurprojecten die worden ondersteund door investeringen in COVID-herstel in de Verenigde Staten en in het buitenland.

Dat gaat gepaard met hoge kosten voor inspanningen om klimaatverandering tegen te gaan, echter, omdat cement - het bindende element dat vermengd is met zand, grind en water om beton te maken - behoort tot de grootste industriële bijdragers aan de opwarming van de aarde.

"Beton is alomtegenwoordig omdat het een van de meest betaalbare bouwmaterialen is, het is gemakkelijk te manipuleren en kan in vrijwel elke vorm worden gegoten, " zei Tiziana Vanorio, universitair hoofddocent geofysica aan de Stanford University.

Maar de productie van cement veroorzaakt maar liefst 8 procent van de jaarlijkse uitstoot van kooldioxide als gevolg van menselijke activiteit, en de vraag zal naar verwachting de komende decennia toenemen, aangezien verstedelijking en economische ontwikkeling de bouw van nieuwe gebouwen en infrastructuur stimuleren. "Als we de CO2-uitstoot terug willen brengen tot het niveau dat nodig is om een ​​catastrofale klimaatverandering af te wenden, we moeten de manier waarop we cement maken veranderen, ' zei Vanori.

CO . van beton ₂ probleem begint met kalksteen, een gesteente dat voornamelijk uit calciumcarbonaat bestaat. Om Portlandcement te maken, het pasteuze hoofdbestanddeel van modern beton, wordt kalksteen gewonnen, gemalen en op hoog vuur gebakken met klei en kleine hoeveelheden andere materialen in gigantische ovens. Bij het opwekken van deze warmte wordt meestal steenkool of andere fossiele brandstoffen verbrand, goed voor meer dan een derde van de CO2-uitstoot van beton.

De hitte veroorzaakt een chemische reactie die marmerachtige grijze brokken oplevert, bekend als klinker, die vervolgens worden vermalen tot het fijne poeder dat we herkennen als cement. Bij de reactie komt ook koolstof vrij die anders honderden miljoenen jaren in kalksteen zou kunnen blijven zitten. Deze stap draagt ​​het grootste deel van de resterende CO . bij ₂ emissies bij de betonproductie.

Met financiering van de Strategic Energy Alliance van Stanford's Precourt Institute for Energy, Vanorio en collega's van Stanford maken nu prototypes van cement dat de CO . elimineert ₂ - oprispingen van chemische reactie door klinker te maken met een vulkanisch gesteente dat alle noodzakelijke bouwstenen bevat, maar geen van de koolstof.

De natuur nabootsen

Als het meest gebruikte bouwmateriaal ter wereld, beton is al lang een doelwit voor heruitvinding. Onderzoekers en bedrijven hebben inspiratie gevonden voor nieuwe recepten in koraalriffen, kreeftenschelpen en de hamerachtige knuppels van bidsprinkhaangarnalen. Anderen vervangen klinker gedeeltelijk door industrieel afval zoals vliegas van kolencentrales of injecteren opgevangen kooldioxide in de mix als een manier om de klimaatimpact van beton te verkleinen. President Joe Biden heeft opgeroepen tot uitbreiding van de koolstofafvang en het gebruik van waterstofbrandstof bij de cementproductie om de uitstoot van broeikasgassen in de VS tegen 2030 te halveren ten opzichte van het niveau van 2005.

Vanorio stelt voor om kalksteen helemaal af te schaffen en in plaats daarvan te beginnen met een rots die in veel vulkanische gebieden over de hele wereld zou kunnen worden gewonnen. "We kunnen deze steen nemen, vermaal het en verwarm het vervolgens om klinker te produceren met dezelfde apparatuur en infrastructuur die momenteel wordt gebruikt om klinker van kalksteen te maken, ' zei Vanori.

Heet water gemengd met deze koolstofarme klinker verandert het niet alleen in cement, maar bevordert ook de groei van lange, verstrengelde ketens van moleculen die onder een microscoop lijken op verwarde vezels. Soortgelijke structuren bestaan ​​in rotsen die van nature zijn gecementeerd in hydrothermische omgevingen - plaatsen waar kokend heet water net onder de grond circuleert - en in betonnen Romeinse havens, die er 2 hebben overleefd, 000 jaar aanval door bijtend zout water en dreunende golven waar modern beton normaal gesproken binnen tientallen jaren zou afbrokkelen.

Zoals de wapening die vaak wordt gebruikt in moderne betonconstructies om scheuren te voorkomen, deze minuscule minerale vezels bestrijden de gebruikelijke broosheid van het materiaal. "Beton houdt er niet van om uitgerekt te worden. Zonder enige vorm van wapening, het zal breken voordat het buigt onder stress, " zei Vanorio, senior auteur van recente artikelen over microstructuren in Romeins zeebeton en over de rol van gesteentefysica bij de overgang naar een koolstofarme toekomst. Het meeste beton wordt nu op grote schaal versterkt met staal. "Ons idee is om het op nanoschaal te versterken door te leren hoe vezelachtige microstructuren stenen effectief versterken, en de natuurlijke omstandigheden die ze produceren, " ze zei.

Lessen in genezing en veerkracht

Het proces dat Vanorio voor ogen heeft voor het transformeren van een vulkanisch gesteente in beton, lijkt op de manier waarop gesteenten cementeren in hydrothermische omgevingen. Vaak gevonden rond vulkanen en boven actieve tektonische plaatgrenzen, hydrothermische omstandigheden zorgen ervoor dat rotsen snel kunnen reageren en recombineren bij temperaturen die niet heter zijn dan een huisoven, water als krachtig oplosmiddel gebruiken.

Als een genezende huid, scheuren en breuken in de buitenste laag van de aarde worden in de loop van de tijd aan elkaar gelijmd door reacties tussen mineralen en heet water. "De natuur is een grote inspiratiebron geweest voor innovatieve materialen die het biologische leven nabootsen, " zei Vanorio. "We kunnen ook inspiratie putten uit aardse processen die genezing mogelijk maken en de veerkracht beschadigen."

Van bakstenen en gesmeed metaal tot glas en kunststof, mensen hebben lang materialen gemaakt met dezelfde krachten die de aardse rotscyclus aandrijven:warmte, druk en water. Talrijke archeologische en mineralogische studies geven aan dat de oude Romeinen mogelijk hebben geleerd vulkanische as te gebruiken voor het vroegst bekende concrete recept door te kijken hoe het uithardt wanneer het op natuurlijke wijze wordt gemengd met water. "Vandaag hebben we de mogelijkheid om cementering te observeren met de lens van 21e-eeuwse technologie en kennis van milieueffecten, ' zei Vanori.

bij Stanford, ze heeft samengewerkt met professor materiaalwetenschap en techniek, Alberto Salleo, om verder te gaan dan het imiteren van de geologie om de processen te manipuleren voor specifieke resultaten en mechanische eigenschappen met behulp van nanoschaaltechniek. "Het wordt steeds duidelijker dat cement op nanoschaal kan worden ontwikkeld en ook op die schaal moet worden bestudeerd, ' zei Salleo.

Gebruik maken van kleine defecten

Veel eigenschappen van cement zijn afhankelijk van kleine defecten en van de sterkte van de bindingen tussen de verschillende componenten, zei Salleo. De kleine vezels die groeien en verweven zijn tijdens het cementeren van verpulverde rotsen, werken als spankoorden, kracht geven. "We zeggen graag dat materialen zijn als mensen:het zijn de gebreken die ze interessant maken, " hij zei.

In 2019 bracht een blijvende nieuwsgierigheid naar het oude beton dat hij tussen de ruïnes had gezien toen hij opgroeide in Rome, Salleo ertoe om contact op te nemen met Vanorio, wiens eigen reis in de rotsfysica begon na het ervaren van de dynamiek van de aardkorst tijdens haar jeugd in een Napolitaanse havenstad in het midden van een caldera waar Romeins beton voor het eerst werd vervaardigd.

Vanaf dat moment, Salleo is gaan werken aan een koolstofarme klinker geïnspireerd door geologische processen als een logische aansluiting bij de projecten van zijn groep op het gebied van duurzaamheid, zoals goedkope zonnecellen op basis van plastic materialen en elektrochemische apparaten voor energieopslag.

"Nadenken over een koolstofarme klinker is een andere manier om de hoeveelheid CO . te verminderen ₂ die we uitzenden in de atmosfeer, " zei hij. Maar het is nog maar het begin. "De aarde is een gigantisch laboratorium waar materialen zich mengen bij hoge temperaturen en hoge drukken. Wie weet hoeveel andere interessante en uiteindelijk nuttige structuren er zijn?"