Il cemento ci ha regalato il Pantheon a 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 versato a tonnellate in progetti infrastrutturali supportati da investimenti per la ripresa del COVID negli Stati Uniti e all'estero.

Ciò ha un costo elevato per gli sforzi per combattere il cambiamento climatico, però, perché il cemento, l'elemento legante che è mescolato con la sabbia, ghiaia e acqua per fare cemento, si colloca 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, " disse Tiziana Vanorio, professore associato di geofisica alla 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, " Disse Vanorio.

CO . del calcestruzzo ₂ il problema inizia con il calcare, una roccia costituita principalmente da carbonato di calcio. Per produrre il cemento Portland, l'ingrediente pastoso principale del calcestruzzo moderno, viene estratto il calcare, schiacciato 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, responsabile di 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 . rimanente ₂ emissioni da produzione di calcestruzzo.

Con il finanziamento della Strategic Energy Alliance presso il Precourt Institute for Energy di Stanford, Vanorio e i colleghi di Stanford stanno ora prototipando cemento che elimina la CO ₂ -eruttazione della reazione chimica facendo clinker con una roccia vulcanica che contiene tutti i mattoni necessari, ma niente del carbonio.

Imitando la natura

Essendo il materiale da costruzione più utilizzato al mondo, il cemento è stato a lungo un obiettivo da reinventare. Ricercatori e aziende hanno trovato ispirazione per nuove ricette nelle barriere coralline, gusci di aragosta e le mazze a martello dei 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.

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, macinarlo e quindi riscaldarlo per produrre clinker utilizzando le stesse attrezzature e infrastrutture attualmente utilizzate per produrre clinker dal calcare, " disse Vanorio.

L'acqua calda miscelata con questo clinker a basso tenore di carbonio non solo lo trasforma in cemento, ma favorisce anche la crescita di lunghi, catene intrecciate di molecole che sembrano fibre aggrovigliate se viste 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 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 la fessurazione, queste minuscole fibre minerali combattono la consueta fragilità del materiale. "Il cemento non ama essere allungato. Senza un qualche tipo di rinforzo, si romperà prima di piegarsi sotto sforzo, " disse Vanorio, autore senior di recenti articoli sulle microstrutture nel calcestruzzo marino romano e sul ruolo della 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 li producono, " lei disse.

Lezioni di guarigione e resilienza

Il processo che Vanorio prevede per trasformare una roccia vulcanica in calcestruzzo ricorda il modo in cui le rocce si cementano negli ambienti idrotermali. Spesso trovato 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, usando l'acqua come un potente solvente.

Come la pelle curativa, crepe e faglie 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, " ha detto Vanorio. "Possiamo anche prendere 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, " Disse Vanorio.

A Stanford, 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 ingegnerizzato su scala nanometrica e dovrebbe essere studiato anche su quella scala, " disse Salleo.

Sfruttare piccoli difetti

Molte delle proprietà del cemento dipendono da piccoli difetti e dalla forza dei legami tra i diversi componenti, ha detto Salleo. Le minuscole fibre che crescono e si intrecciano durante la cementazione delle rocce polverizzate agiscono come corde tese, impartendo forza. "Ci piace dire che i materiali sono come le persone:sono i difetti che li rendono interessanti, " Egli ha detto.

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 una città portuale napoletana 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 l'accumulo di energia.

"Pensare a un clinker a basse emissioni di carbonio è un altro modo per ridurre la quantità di CO ₂ che inviamo nell'atmosfera, " ha detto. 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?"