Per un cemento più verde, usi la roccia vulcanica?

vista aerea della betoniera e della fondazione di versamento dell'escavatore

Secondo un nuovo studio, sostituire solo uno degli ingredienti principali del calcestruzzo con roccia vulcanica potrebbe ridurre le emissioni di carbonio derivanti dalla produzione del materiale di quasi due terzi.

Il cemento ci ha regalato il Pantheon di Roma, il Teatro dell'Opera di Sydney, la diga di Hoover e innumerevoli monoliti a blocchi. La roccia artificiale ricopre le nostre città e le nostre strade, è alla base di parchi eolici e pannelli solari e sarà versata a tonnellate in progetti infrastrutturali supportati da investimenti per il recupero del COVID negli Stati Uniti e all'estero.

Tuttavia, ciò ha un costo elevato per gli sforzi per combattere il cambiamento climatico, perché cemento—l'elemento legante che viene mescolato con sabbia, ghiaia e acqua per produrre cemento—è tra i maggiori contributori industriali al riscaldamento globale.

"Il calcestruzzo è onnipresente perché è uno dei materiali da costruzione più convenienti, è facilmente manipolabile e può essere modellato in qualsiasi forma", afferma Tiziana Vanorio, professore associato di geofisica presso la Stanford University.

Ma la produzione di cemento scatena fino all'8% delle emissioni annuali di anidride carbonica legate all'attività umana e si prevede che la domanda aumenterà nei prossimi decenni poiché l'urbanizzazione e lo sviluppo economico guideranno la costruzione di nuovi edifici e infrastrutture.

"Se vogliamo ridurre le emissioni di carbonio ai livelli necessari per evitare un catastrofico cambiamento climatico, dobbiamo cambiare il modo in cui produciamo il cemento", afferma Vanorio.

Barriere coralline, gusci di aragosta e canocchie

CO . del calcestruzzo2 problema inizia con il calcare, una roccia composta principalmente da carbonato di calcio. Per produrre il cemento Portland, l'ingrediente pastoso principale del calcestruzzo moderno, il calcare viene estratto, frantumato e cotto a fuoco vivo con argilla e piccole quantità di altri materiali in forni giganti. La generazione di questo calore di solito comporta la combustione di carbone o altri combustibili fossili, che rappresentano oltre un terzo delle emissioni di carbonio associate al calcestruzzo.

Il calore innesca una reazione chimica che produce grumi grigi delle dimensioni del marmo noti come clinker, che vengono poi macinati nella polvere fine che riconosciamo come cemento. La reazione rilascia anche carbonio che altrimenti potrebbe rimanere bloccato nel calcare per centinaia di milioni di anni. Questo passaggio contribuisce alla maggior parte della CO . rimanente2 emissioni da produzione di calcestruzzo.

Vanorio e colleghi stanno ora prototipando cemento che elimini la CO2-eruttazione reazione chimica facendo clinker con a roccia vulcanica che contiene tutti i mattoni necessari, ma nessuno del carbonio.

Essendo il materiale da costruzione più utilizzato al mondo, il cemento è stato a lungo un obiettivo di reinvenzione. Ricercatori e aziende hanno trovato ispirazione per nuove ricette nelle barriere coralline, nei gusci di aragoste e nelle mazze a forma di martello di gamberetti di mantide. Altri stanno parzialmente sostituendo il clinker con rifiuti industriali come le ceneri volanti delle centrali a carbone o iniettando anidride carbonica catturata nella miscela per ridurre l'impatto climatico del calcestruzzo.

Il presidente Joe Biden ha chiesto di espandere la cattura del carbonio e l'uso dell'idrogeno nella produzione di cemento per aiutare a dimezzare le emissioni di gas serra degli Stati Uniti dai livelli del 2005 entro il 2030.

Salta il calcare

Vanorio propone di eliminare del tutto il calcare e di iniziare invece con una roccia che potrebbe essere estratta in molte regioni vulcaniche del mondo. "Possiamo prendere questa roccia, macinarla e quindi riscaldarla per produrre clinker utilizzando le stesse attrezzature e infrastrutture attualmente utilizzate per produrre clinker dal calcare", afferma.

L'acqua calda miscelata con questo clinker a basso tenore di carbonio non solo lo trasforma in cemento, ma favorisce anche la crescita di lunghe catene di molecole intrecciate che sembrano fibre aggrovigliate se osservate al microscopio. Strutture simili esistono in rocce cementate naturalmente in ambienti idrotermali, luoghi in cui l'acqua bollente circola appena sotto terra, e in porti romani di cemento, che sono sopravvissuti a 2,000 anni di assalti da acqua salata corrosiva e onde impetuose dove il cemento moderno si sgretolerebbe in genere entro decenni.

Come l'armatura comunemente usata nelle moderne strutture in calcestruzzo per prevenire le fessurazioni, queste minuscole fibre minerali combattono la consueta fragilità del materiale.

“Il cemento non ama essere allungato. Senza alcun tipo di rinforzo, si romperà prima di piegarsi sotto stress", afferma Vanorio, autore senior di recenti articoli su microstrutture nel cemento marino romano e sul ruolo di fisica delle rocce nella transizione verso un futuro a basse emissioni di carbonio. La maggior parte del calcestruzzo è ora rinforzata su larga scala con l'acciaio.

"La nostra idea è di rinforzarlo su scala nanometrica imparando come le microstrutture fibrose rinforzano efficacemente le rocce e le condizioni naturali che le producono", afferma.

Lezioni di guarigione e resilienza

Il processo che Vanorio immagina per trasformare roccia vulcanica in calcestruzzo assomiglia al modo in cui le rocce si cementano negli ambienti idrotermali. Spesso presenti intorno ai vulcani e al di sopra dei confini delle placche tettoniche attive, le condizioni idrotermali consentono alle rocce di reagire e ricombinarsi rapidamente a temperature non più calde di un forno domestico, utilizzando l'acqua come potente solvente.

Come la pelle che guarisce, crepe e difetti nello strato più esterno della Terra si cementano insieme nel tempo attraverso reazioni tra minerali e acqua calda. "La natura è stata una grande fonte di ispirazione per materiali innovativi che imitano la vita biologica", afferma Vanorio. “Possiamo anche trarre ispirazione dai processi della Terra che consentono la guarigione e la resilienza ai danni”.

Da mattoni e metallo forgiato a vetro e plastica, le persone hanno a lungo realizzato materiali utilizzando le stesse forze che guidano il ciclo delle rocce della Terra: calore, pressione e acqua. Numerosi studi archeologici e mineralogici indicano che gli antichi romani potrebbero aver imparato a sfruttare la cenere vulcanica per la prima ricetta concreta conosciuta osservandola indurire quando mescolata naturalmente con l'acqua.

"Oggi abbiamo l'opportunità di osservare la cementazione con la lente della tecnologia del 21° secolo e la conoscenza degli impatti ambientali", afferma Vanorio.

Vanorio ha collaborato con il professore di scienza dei materiali e ingegneria Alberto Salleo per andare oltre l'imitazione della geologia per manipolare i suoi processi per risultati specifici e proprietà meccaniche utilizzando l'ingegneria su scala nanometrica. "Sta diventando sempre più evidente che il cemento può essere progettato su scala nanometrica e dovrebbe essere studiato anche su quella scala", afferma Salleo.

Abbracciare i difetti del calcestruzzo

Molte delle proprietà del cemento dipendono da piccole difetti e sulla forza dei legami tra le diverse componenti, dice Salleo. Le minuscole fibre che crescono e si intrecciano durante la cementazione delle rocce polverizzate agiscono come corde tese, conferendo forza. “Ci piace dire che i materiali sono come le persone: sono i loro difetti che li rendono interessanti”, dice.

Nel 2019 una costante curiosità per l'antico cemento che aveva visto tra le rovine da bambino cresciuto a Roma ha spinto Salleo a contattare Vanorio, il cui viaggio nella fisica delle rocce è iniziato dopo aver sperimentato il dinamismo della crosta terrestre durante la sua infanzia in un napoletano città portuale al centro di una caldera dove è stato progettato per la prima volta il calcestruzzo romano.

Da allora, Salleo è arrivato a vedere il lavoro su un clinker a basse emissioni di carbonio ispirato ai processi geologici come una corrispondenza logica con i progetti del suo gruppo legati alla sostenibilità, come celle solari a basso costo basate su materiali plastici e dispositivi elettrochimici per lo stoccaggio dell'energia.

"Pensare a un clinker a basse emissioni di carbonio è un altro modo per ridurre la quantità di CO2 che emettiamo nell'atmosfera", afferma. Ma è solo l'inizio. “La Terra è un gigantesco laboratorio dove i materiali si mescolano ad alte temperature e alte pressioni. Chissà quante altre strutture interessanti e in definitiva utili ci sono là fuori?

Fonte: Università di Stanford

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Questo articolo è originariamente apparso su avvenire

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