«Ανακαλύψτε τα “μαγικά τούβλα” που εξαφανίζουν το διοξείδιο του άνθρακα!»

Σε μια εποχή που η κλιματική αλλαγή επιτάσσει ριζικές ανατροπές στον τρόπο που κατασκευάζουμε τις πόλεις μας, μια ομάδα ερευνητών από το Worcester Polytechnic Institute (WPI) στην Μασαχουσέτη φαίνεται να έχει ανακαλύψει το «ιερό δισκοπότηρο» των δομικών υλικών.

Πρόκειται για μια επαναστατική κατηγορία δομικών στοιχείων που εμπνέεται από τη βιολογία και έχει την εξαιρετική δυνατότητα να είναι αρνητικού άνθρακα. Με λίγα λόγια, κατά τη διαδικασία παραγωγής του, το συγκεκριμένο υλικό δεν ρυπαίνει την ατμόσφαιρα, αλλά δεσμεύει διοξείδιο του άνθρακα (CO2) από αυτήν.

Το νέο αυτό υλικό, που ονομάζεται Enzymatic Structural Material (ESM), δημοσιεύθηκε πρόσφατα στο έγκριτο επιστημονικό περιοδικό Matter και στοχεύει να αντικαταστήσει το παραδοσιακό σκυρόδεμα σε πολλές εφαρμογές, προσφέροντας μια ελπιδοφόρα λύση στο τεράστιο περιβαλλοντικό αποτύπωμα της τσιμεντοβιομηχανίας.

Το περιβαλλοντικό «αγκάθι» του τσιμέντου

Για να κατανοήσουμε τη σημασία αυτής της ανακάλυψης, αρκεί να εξετάσουμε μερικούς αριθμούς. Το σκυρόδεμα είναι το πιο διαδεδομένο δομικό υλικό στον πλανήτη μετά το νερό. Ωστόσο, η παραγωγή του τσιμέντου (του συνδετικού υλικού στο μπετόν) ευθύνεται για περίπου το 8% των παγκόσμιων εκπομπών CO2. Η δημιουργία του απαιτεί υψηλές θερμοκρασίες σε κλιβάνους και χημικές αντιδράσεις που απελευθερώνουν τόνους αερίων του θερμοκηπίου.

Εδώ έρχεται η καινοτομία του καθηγητή Nima Rahbar και της ομάδας του στο WPI, οι οποίοι, αντί να ψήνουν ασβεστόλιθο σε γιγαντιαίους φούρνους, στράφηκαν στη φύση.

Πώς λειτουργεί: Η βιολογική «μαγεία»

Η τεχνολογία που κρύβεται πίσω από το ESM μιμείται τον τρόπο που οι ζωντανοί οργανισμοί, όπως τα οστρακοειδή, κατασκευάζουν τα κελύφη τους. Το κλειδί είναι ένα ένζυμο που ονομάζεται ανυδράση του άνθρακα. Αυτό το ένζυμο λειτουργεί ως καταλύτης, επιταχύνοντας την αντίδραση μεταξύ του διοξειδίου του άνθρακα και του ασβεστίου, μετατρέποντάς τα σε κρυστάλλους ανθρακικού ασβεστίου.

Κατά συνέπεια, οι ερευνητές έχουν αναπτύξει μια διαδικασία που «πετρώνει» το CO2, δημιουργώντας ένα σύνθετο υλικό που δεσμεύει μόνιμα τον άνθρακα στη δομή του, αντί να αφήνει ελεύθερο το CO2 στην ατμόσφαιρα.

Στοιχεία που εντυπωσιάζουν

Η σύγκριση με το παραδοσιακό σκυρόδεμα δείχνει συντριπτικά πλεονεκτήματα υπέρ του νέου υλικού, τουλάχιστον από οικολογικής άποψης:

• Παραδοσιακό Σκυρόδεμα: Εκπέμπει περίπου 330 κιλά CO2 για κάθε κυβικό μέτρο που παράγεται.
• Νέο Υλικό ESM: Απορροφά (δεσμεύει) 6,1 κιλά CO2 για κάθε κυβικό μέτρο.

Η διαφορά είναι εντυπωσιακή. Από έναν ρυπογόνο γίγαντα μεταβαίνουμε σε ένα υλικό που λειτουργεί ως «σφουγγάρι» για τους ρύπους.

Επιπλέον, η ταχύτητα παραγωγής είναι ένα ακόμη ισχυρό σημείο. Ενώ το συμβατικό μπετόν χρειάζεται συχνά έως και 28 ημέρες για να ωριμάσει και να φτάσει στη μέγιστη αντοχή του, το ESM μπορεί να πήξει και να είναι έτοιμο προς χρήση μέσα σε λίγες ώρες.

Ξεπερνώντας τα εμπόδια: Αντοχή και υγρασία

Στο παρελθόν, παρόμοιες προσπάθειες για «βιο-τσιμέντο» είχαν υποστεί αποτυχίες σε δύο κύρια προβλήματα: τη χαμηλή μηχανική αντοχή και τη ευαισθησία στο νερό. Πολλά βιο-υλικά διαλύονταν ή αποδυναμώνονταν σε συνθήκες υψηλής υγρασίας.

Η ομάδα του WPI έλυσε αυτό το πρόβλημα χρησιμοποιώντας μια τεχνική που ονομάζεται «τριχοειδής ανάρτηση» σε ένα υδρόφοβο ικρίωμα. Δημιούργησαν έναν σκελετό που απωθεί το νερό, πάνω στον οποίο αναπτύσσονται οι κρύσταλλοι.

Το αποτέλεσμα είναι ένα υλικό που παρουσιάζει αντοχή θλίψης 25,8 MPa. Αν και δεν φτάνει ακόμη τα επίπεδα του οπλισμένου σκυροδέματος που χρησιμοποιείται σε ουρανοξύστες (που συχνά ξεπερνούν τα 50 MPa), είναι πλήρως επαρκές για πολλές άλλες εφαρμογές, όπως:

• Τούβλα τοιχοποιίας.
• Πλάκες πεζοδρομίων.
• Κεραμίδια και επιστεγάσεις.
• Προκατασκευασμένα στοιχεία (panels).

Το μέλλον των κατασκευών;

Ο καθηγητής Rahbar υπογραμμίζει ότι αν έστω και ένα μικρό ποσοστό της παγκόσμιας κατασκευαστικής δραστηριότητας υιοθετούσε υλικά όπως το ESM, οι επιπτώσεις στην κλιματική αλλαγή θα ήταν κολοσσιαίες.

Εκτός από το οικολογικό όφελος, το υλικό προσφέρει και οικονομικά πλεονεκτήματα μακροπρόθεσμα. Είναι ανακυκλώσιμο, ενώ προηγούμενες έρευνες της ίδιας ομάδας έδειξαν ότι τέτοιου είδους ενζυματικά υλικά έχουν τη δυνατότητα αυτο-ίαςης, κλείνοντας αυτόματα μικρές ρωγμές, μειώνοντας δραστικά το κόστος συντήρησης των κτιρίων.

Αναμφίβολα, όπως συμβαίνει με κάθε καινοτομία, ο δρόμος από το εργαστήριο προς την εμπορική υλοποίηση είναι μακρύς. Ωστόσο, η ανακάλυψη του WPI δείχνει ότι η τεχνολογία είναι πλέον διαθέσιμη. Το ερώτημα δεν είναι αν μπορούμε να χτίσουμε πιο φιλικά προς το περιβάλλον, αλλά πόσο γρήγορα θα αποφασίσουμε να το κάνουμε πραγματικότητα.