Imagen de microscopio electrónico de barrido de la matriz cementosa de una roca de falla. El cemento se ve como una red de fibras entrelazadas cuando se obtienen imágenes a nanoescala. Crédito:Cortesía de Shalev Siman-Sov, Siman-Tov y col., 2013
El hormigón nos ha dado el Panteón de Roma, casa de la opera de Sydney, la presa Hoover e innumerables monolitos en bloques. La roca artificial cubre nuestras ciudades y carreteras, subyace a los parques eólicos y los paneles solares, y se invertirá por toneladas en proyectos de infraestructura respaldados por inversiones de recuperación de COVID en los Estados Unidos y en el extranjero.
Eso tiene un costo elevado para los esfuerzos para combatir el cambio climático, sin embargo, porque el cemento, el elemento aglutinante que se mezcla con arena, grava y agua para hacer concreto:se encuentra entre los mayores contribuyentes industriales al calentamiento global.
"El hormigón es omnipresente porque es uno de los materiales de construcción más asequibles, se manipula fácilmente y se puede moldear en casi cualquier forma, "dijo Tiziana Vanorio, profesor asociado de geofísica en la Universidad de Stanford.
Pero la producción de cemento desencadena hasta un 8 por ciento de las emisiones anuales de dióxido de carbono relacionadas con la actividad humana. y se espera que la demanda aumente en las próximas décadas a medida que la urbanización y el desarrollo económico impulsen la construcción de nuevos edificios e infraestructura. "Si vamos a reducir las emisiones de carbono a los niveles necesarios para evitar un cambio climático catastrófico, necesitamos cambiar la forma en que hacemos cemento, "Dijo Vanorio.
CO del hormigón 2 el problema comienza con la piedra caliza, una roca hecha principalmente de carbonato de calcio. Para hacer cemento Portland, el ingrediente pastoso principal del hormigón moderno, se extrae piedra caliza, triturados y horneados a fuego alto con arcilla y pequeñas cantidades de otros materiales en hornos gigantes. Generar este calor generalmente implica quemar carbón u otros combustibles fósiles, representa más de un tercio de las emisiones de carbono asociadas con el hormigón.
El calor desencadena una reacción química que produce grumos grises del tamaño de una canica conocidos como clinker, que luego se muelen en el polvo fino que reconocemos como cemento. La reacción también libera carbono que, de otro modo, podría permanecer encerrado en la piedra caliza durante cientos de millones de años. Este paso aporta la mayor parte del CO restante 2 emisiones de la producción de hormigón.
Con fondos de la Strategic Energy Alliance en el Precourt Institute for Energy de Stanford, Vanorio y sus colegas de Stanford ahora están creando prototipos de cemento que elimina el CO 2 -Reacción química de eructos haciendo clinker con una roca volcánica que contiene todos los bloques de construcción necesarios, pero nada del carbono.
Imitando la naturaleza
Como material de construcción más utilizado en el planeta, El hormigón ha sido durante mucho tiempo un objetivo de reinvención. Investigadores y empresas han encontrado inspiración para nuevas recetas en arrecifes de coral, conchas de langosta y mazas de camarón mantis en forma de martillo. Otros están reemplazando parcialmente el clinker con desechos industriales como cenizas volantes de plantas de carbón o inyectando dióxido de carbono capturado en la mezcla como una forma de reducir el impacto climático del concreto. El presidente Joe Biden ha pedido que se amplíe la captura de carbono y el uso de combustible de hidrógeno en la fabricación de cemento para ayudar a reducir a la mitad las emisiones de gases de efecto invernadero de los Estados Unidos desde los niveles de 2005 para 2030.
Vanorio propone eliminar por completo la piedra caliza y comenzar en su lugar con una roca que podría extraerse en muchas regiones volcánicas de todo el mundo. "Podemos tomar esta piedra, tritúrelo y luego caliéntelo para producir clinker utilizando el mismo equipo e infraestructura que se usa actualmente para hacer clinker a partir de piedra caliza, "dijo Vanorio.
El agua caliente mezclada con este clínker bajo en carbono no solo lo transforma en cemento, sino que también promueve el crecimiento de largos, cadenas entrelazadas de moléculas que parecen fibras enredadas cuando se observan con un microscopio. Existen estructuras similares en rocas cementadas naturalmente en ambientes hidrotermales (lugares donde el agua hirviendo circula justo debajo del suelo) y en puertos romanos de concreto. que han sobrevivido a 2, 000 años de asalto de agua salada corrosiva y olas agitadas donde el hormigón moderno normalmente se desmorona en décadas.
Al igual que las barras de refuerzo que se utilizan comúnmente en las estructuras de hormigón modernas para evitar el agrietamiento, estas diminutas fibras minerales combaten la fragilidad habitual del material. "Al hormigón no le gusta que lo estiren. Sin algún tipo de refuerzo, se romperá antes de doblarse bajo tensión, "dijo Vanorio, autor principal de artículos recientes sobre microestructuras en hormigón marino romano y sobre el papel de la física de rocas en la transición hacia un futuro con bajas emisiones de carbono. La mayor parte del hormigón ahora se refuerza a gran escala con acero. "Nuestra idea es reforzarlo a nanoescala aprendiendo cómo las microestructuras fibrosas refuerzan eficazmente las rocas, y las condiciones naturales que las producen, " ella dijo.
Lecciones de sanación y resiliencia
El proceso que Vanorio prevé para transformar una roca volcánica en concreto se parece a la forma en que las rocas cementan en ambientes hidrotermales. A menudo se encuentra alrededor de volcanes y por encima de los límites de las placas tectónicas activas, Las condiciones hidrotermales permiten que las rocas reaccionen rápidamente y se recombinen a temperaturas no más altas que las de un horno doméstico. usando agua como un poderoso solvente.
Como piel curativa las grietas y fallas en la capa más externa de la Tierra se unen con el tiempo a través de reacciones entre los minerales y el agua caliente. "La naturaleza ha sido una gran fuente de inspiración para materiales innovadores que imitan la vida biológica, ", dijo Vanorio." También podemos inspirarnos en los procesos de la Tierra que permiten la curación y la resistencia a los daños ".
Desde ladrillos y metal forjado hasta vidrio y plásticos, Las personas han fabricado materiales durante mucho tiempo utilizando las mismas fuerzas que impulsan el ciclo de las rocas de la Tierra:calor, presión y agua. Numerosos estudios arqueológicos y mineralógicos indican que los antiguos romanos pueden haber aprendido a aprovechar la ceniza volcánica para la receta de hormigón más antigua conocida al verla endurecerse cuando se mezcla naturalmente con agua. "Hoy tenemos la oportunidad de observar la cementación con la lente de la tecnología del siglo XXI y el conocimiento de los impactos ambientales, "Dijo Vanorio.
En Stanford, se ha asociado con el profesor de ciencia e ingeniería de materiales Alberto Salleo para ir más allá de imitar la geología y manipular sus procesos para obtener resultados específicos y propiedades mecánicas utilizando ingeniería a nanoescala. "Cada vez es más evidente que el cemento puede diseñarse a nanoescala y también debe estudiarse a esa escala, "Dijo Salleo.
Aprovechando pequeños defectos
Muchas de las propiedades del cemento dependen de pequeños defectos y de la fuerza de las uniones entre los diferentes componentes, Dijo Salleo. Las diminutas fibras que crecen y se entrelazan durante la cementación de rocas pulverizadas actúan como cuerdas tensoras, impartiendo fuerza. "Nos gusta decir que los materiales son como las personas:son sus defectos los que los hacen interesantes, " él dijo.
En 2019, una curiosidad constante por el antiguo hormigón que había visto entre las ruinas cuando era niño y que crecía en Roma llevó a Salleo a acercarse a Vanorio. cuyo propio viaje a la física de las rocas comenzó después de experimentar el dinamismo de la corteza terrestre durante su infancia en una ciudad portuaria napolitana en el centro de una caldera donde se diseñó por primera vez el hormigón romano.
Desde entonces, Salleo ha llegado a ver el trabajo en un clínker bajo en carbono inspirado en procesos geológicos como un encaje lógico con los proyectos de su grupo relacionados con la sostenibilidad. como las células solares de bajo costo basadas en materiales plásticos y dispositivos electroquímicos para el almacenamiento de energía.
"Pensar en un clínker bajo en carbono es otra forma de reducir la cantidad de CO 2 que enviamos a la atmósfera, ", dijo. Pero es sólo el comienzo." La Tierra es un laboratorio gigantesco donde los materiales se mezclan a altas temperaturas y altas presiones. ¿Quién sabe cuántas otras estructuras interesantes y útiles en última instancia existen? "
