È risaputo che la produzione di cemento, il materiale da costruzione leader nel mondo, è una delle principali fonti di emissioni di gas serra, che rappresentano circa l'8 per cento di tutti questi rilasci. Se la produzione di cemento fosse un paese, sarebbe il terzo emettitore più grande del mondo.

Un team di ricercatori del MIT ha escogitato un nuovo modo di produrre il materiale che potrebbe eliminare del tutto queste emissioni, e potrebbe anche creare altri prodotti utili nel processo.

I risultati sono stati riportati oggi sulla rivista PNAS in un articolo di Yet-Ming Chiang, il Professore Kyocera di Scienza e Ingegneria dei Materiali al MIT, con la postdoc Leah Ellis, studente laureato Andres Badel, e altri.

"Circa 1 chilogrammo di anidride carbonica viene rilasciato per ogni chilogrammo di cemento prodotto oggi, " dice Chiang. Ciò equivale a 3-4 gigatonnellate (miliardi di tonnellate) di cemento, e delle emissioni di anidride carbonica, prodotto annualmente oggi, e tale importo è destinato a crescere. Si prevede che il numero di edifici in tutto il mondo raddoppierà entro il 2060, che equivale a "costruire una nuova New York City ogni 30 giorni, " dice. E la merce ora è molto economica da produrre:costa solo circa 13 centesimi al chilogrammo, che dice lo rende più economico dell'acqua in bottiglia.

Quindi è una vera sfida trovare modi per ridurre le emissioni di carbonio del materiale senza renderlo troppo costoso. Chiang e il suo team hanno trascorso l'ultimo anno alla ricerca di approcci alternativi, e ha avuto l'idea di utilizzare un processo elettrochimico per sostituire l'attuale sistema dipendente dai combustibili fossili.

Cemento Portland ordinario, la varietà standard più utilizzata, si ottiene macinando il calcare e poi cuocendolo con sabbia e argilla a fuoco vivo, che si ottiene bruciando carbone. Il processo produce anidride carbonica in due modi diversi:dalla combustione del carbone, e dai gas liberati dal calcare durante il riscaldamento. Ciascuno di questi produce contributi all'incirca uguali alle emissioni totali. Il nuovo processo eliminerebbe o ridurrebbe drasticamente entrambe le fonti, dice Chiang. Sebbene abbiano dimostrato il processo elettrochimico di base in laboratorio, il processo richiederà più lavoro per raggiungere la scala industriale.

Prima di tutto, il nuovo approccio potrebbe eliminare l'uso di combustibili fossili per il processo di riscaldamento, sostituendo l'elettricità generata da fonti pulite, risorse rinnovabili. "In molte aree geografiche l'elettricità rinnovabile è l'elettricità a più basso costo che abbiamo oggi, e il suo costo è ancora in calo, " dice Chiang. Inoltre, il nuovo processo produce lo stesso prodotto cementizio. Il team si è reso conto che cercare di ottenere l'accettazione per un nuovo tipo di cemento, qualcosa che molti gruppi di ricerca hanno perseguito in modi diversi, sarebbe stata una battaglia in salita, considerando quanto sia ampiamente utilizzato il materiale in tutto il mondo e quanto i costruttori possano essere riluttanti a provarne di nuovi, materiali relativamente non testati.

Il nuovo processo è incentrato sull'uso di un elettrolizzatore, qualcosa che molte persone hanno incontrato durante le lezioni di chimica del liceo, dove una batteria è collegata a due elettrodi in un bicchiere d'acqua, producendo bolle di ossigeno da un elettrodo e bolle di idrogeno dall'altro mentre l'elettricità divide le molecole d'acqua nei loro atomi costituenti. È importante sottolineare che l'elettrodo a evoluzione di ossigeno dell'elettrolizzatore produce acido, mentre l'elettrodo in evoluzione dell'idrogeno produce una base.

Nel nuovo processo, il calcare polverizzato viene sciolto nell'acido in corrispondenza di un elettrodo e viene rilasciata anidride carbonica di elevata purezza, mentre l'idrossido di calcio, generalmente noto come calce, precipita come un solido nell'altro. L'idrossido di calcio può quindi essere lavorato in un'altra fase per produrre il cemento, che è principalmente silicato di calcio.

L'anidride carbonica, sotto forma di puro, flusso concentrato, possono quindi essere facilmente sequestrati, sfruttato per produrre prodotti a valore aggiunto come un combustibile liquido per sostituire la benzina, o utilizzati per applicazioni come il recupero dell'olio o anche nelle bevande gassate e nel ghiaccio secco. Il risultato è che l'anidride carbonica non viene rilasciata nell'ambiente dall'intero processo, dice Chiang. Al contrario, l'anidride carbonica emessa dai cementifici convenzionali è altamente contaminata da ossidi di azoto, ossidi di zolfo, monossido di carbonio e altro materiale che rende impraticabile lo "scrub" per rendere utilizzabile l'anidride carbonica.

I calcoli mostrano che anche l'idrogeno e l'ossigeno emessi nel processo potrebbero essere ricombinati, per esempio in una cella a combustibile, o bruciato per produrre energia sufficiente ad alimentare l'intero resto del processo, Ellis dice, producendo nient'altro che vapore acqueo.

Nella loro dimostrazione di laboratorio, il team ha eseguito i passaggi elettrochimici chiave richiesti, produrre calce dal carbonato di calcio, ma su piccola scala. Il processo sembra un po' come scuotere un globo di neve, poiché produce una raffica di particelle bianche sospese all'interno del contenitore di vetro mentre la calce precipita fuori dalla soluzione.

Mentre la tecnologia è semplice e potrebbe, in linea di principio, essere facilmente scalabile, un tipico cementificio oggi ne produce circa 700, 000 tonnellate di materiale all'anno. "Come si fa a penetrare in un settore del genere e mettere piede nella porta?" chiede Ellis, l'autore principale del documento. Un approccio, lei dice, è cercare di sostituire solo una parte del processo alla volta, piuttosto che l'intero sistema in una volta, e "in modo graduale" aggiungere gradualmente altre parti.

Il sistema proposto inizialmente dal team è "non perché pensiamo necessariamente di avere la strategia esatta" per il miglior approccio possibile, Chiang dice, "ma per far sì che le persone del settore elettrochimico inizino a pensarci di più, " ed escogitare nuove idee. "È un primo passo importante, ma non ancora una soluzione completamente sviluppata."

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.