Πηγή Εικόνας: https://news.northwestern.edu/stories/2025/03/new-carbon-negative-material-could-make-concrete-and-cement-more-sustainable/?fj=1Χρησιμοποιώντας θαλασσινό νερό, ηλεκτρική ενέργεια και διοξείδιο του άνθρακα (CO2), οι επιστήμονες του Πανεπιστημίου Northwestern ανέπτυξαν ένα νέο οικοδομικό υλικό αρνητικό σε άνθρακα, προσφέροντας, ουσιαστικά, μία διέξοδο στη μείωση των επιπτώσεων του δομημένου περιβάλλοντος στην κλιματική κρίση, διευρύνοντας παράλληλα, τους τρόπους δέσμευσης του CO2 από την ατμόσφαιρα.
Οι επιστήμονες του Πανεπιστημίου Northwestern κατάφεραν να κλειδώσουν μόνιμα το CO2 και να το μετατρέψουν σε υλικά χρήσιμα για την παραγωγή σκυροδέματος, τσιμέντου, σοβά και χρωμάτων. Η διαδικασία για την παραγωγή των αρνητικών σε άνθρακα υλικών απελευθερώνει επίσης αέριο υδρογόνο – ένα καθαρό καύσιμο με διάφορες εφαρμογές σε τομείς όπως οι μεταφορές.
Η μελέτη, «Electrodeposition of carbon-trapping minerals in seawater for variable electrochemical potentials and carbon dioxide injections», δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Advanced Sustainable Systems.
«Αναπτύξαμε μια νέα προσέγγιση που μας επιτρέπει να χρησιμοποιήσουμε το θαλασσινό νερό για τη δημιουργία δομικών υλικών αρνητικών ως προς τον άνθρακα», δήλωσε, σε σχετική ανακοίνωση, ο Alessandro Rotta Loria του Northwestern, επικεφαλής της μελέτης.
«Το τσιμέντο, το σκυρόδεμα, τα χρώματα και οι σοβάδες αποτελούνται ή προέρχονται από ορυκτά με βάση το ασβέστιο και το μαγνήσιο, τα οποία συχνά προέρχονται από αδρανή υλικά -αυτό που αποκαλούμε άμμο. Επί του παρόντος, η άμμος προέρχεται από εξορύξεις σε βουνά, κοίτες ποταμών, ακτές και τον πυθμένα των ωκεανών. Σε συνεργασία με την Cemex, προχωρήσαμε σε μια εναλλακτική προσέγγιση για την προμήθεια άμμου – όχι σκάβοντας στη γη, αλλά αξιοποιώντας την ηλεκτρική ενέργεια και το CO2 για την ανάπτυξη υλικών που μοιάζουν με άμμο σε θαλασσινό νερό».
Εκτός από το πολυπληθές ερευνητικό προσωπικό, η μελέτη ωφελήθηκε επίσης από τη συμβολή σημαντικών εκπροσώπων από το τμήμα Global R&D της Cemex, εταιρείας δομικών υλικών με επίκεντρο τις βιώσιμες κατασκευές. Η εργασία αυτή αποτελεί μέρος μιας ευρύτερης συνεργασίας μεταξύ του Northwestern και της Cemex.
Επιστήμη εμπνευσμένη από κοχύλια
Η νέα μελέτη βασίζεται σε προηγούμενες εργασίες του εργαστηρίου για τη μακροπρόθεσμη αποθήκευση CO2 σε σκυρόδεμα και την ηλεκτροδότηση του θαλασσινού νερού για την τσιμεντοποίηση θαλάσσιων εδαφών. Τώρα, αξιοποιεί τις γνώσεις από αυτά τα δύο έργα εγχέοντας CO2 ενώ εφαρμόζει ηλεκτρισμό στο θαλασσινό νερό στο εργαστήριο.
«Η ερευνητική μας ομάδα προσπαθεί να αξιοποιήσει τον ηλεκτρισμό για να δημιουργήσει καινοτόμες κατασκευαστικές και βιομηχανικές διαδικασίες», δήλωσε ο Loria. «Μας αρέσει επίσης να χρησιμοποιούμε το θαλασσινό νερό επειδή είναι ένας φυσικός άφθονος πόρος. Δεν είναι σπάνιο όπως το γλυκό νερό».
Για να δημιουργήσουν το αρνητικό σε άνθρακα υλικό, οι ερευνητές ξεκίνησαν εισάγοντας ηλεκτρόδια στο θαλασσινό νερό και εφαρμόζοντας ηλεκτρικό ρεύμα. Το χαμηλό ηλεκτρικό ρεύμα διέσπασε τα μόρια του νερού σε αέριο υδρογόνο και ιόντα υδροξειδίου. Ενώ άφηναν το ηλεκτρικό ρεύμα ανοιχτό, οι ερευνητές διοχέτευαν αέριο CO2 με φυσαλίδες μέσα στο θαλασσινό νερό. Η διαδικασία αυτή άλλαξε τη χημική σύνθεση του νερού, αυξάνοντας τη συγκέντρωση των διττανθρακικών ιόντων.
Τέλος, τα ιόντα υδροξειδίου και τα διττανθρακικά ιόντα αντέδρασαν με άλλα διαλυμένα ιόντα, όπως το ασβέστιο και το μαγνήσιο, που απαντώνται φυσικά στο θαλασσινό νερό. Η αντίδραση παρήγαγε στερεά ορυκτά, συμπεριλαμβανομένου του ανθρακικού ασβεστίου και του υδροξειδίου του μαγνησίου. Το ανθρακικό ασβέστιο δρα άμεσα ως αποδέκτης άνθρακα, ενώ το υδροξείδιο του μαγνησίου δεσμεύει τον άνθρακα μέσω περαιτέρω αλληλεπιδράσεων με το CO2.
Ο Loria παρομοιάζει τη διαδικασία με την τεχνική που χρησιμοποιούν τα κοράλλια και τα μαλάκια για να σχηματίσουν το κέλυφός τους, η οποία αξιοποιεί τη μεταβολική ενέργεια για να μετατρέψει τα διαλυμένα ιόντα σε ανθρακικό ασβέστιο. Όμως, αντί για μεταβολική ενέργεια, οι ερευνητές εφάρμοσαν ηλεκτρική ενέργεια για την έναρξη της διαδικασίας και αύξησαν την ανοργανοποίηση με την έγχυση CO2.
Διπλή ανακάλυψη
Μέσω του πειραματισμού, οι ερευνητές έκαναν δύο σημαντικές ανακαλύψεις. Όχι μόνο μπορούσαν να αναπτύξουν αυτά τα ορυκτά σε άμμο, αλλά ήταν επίσης σε θέση να αλλάξουν τη σύνθεση αυτών των υλικών ελέγχοντας πειραματικούς παράγοντες, συμπεριλαμβανομένης της τάσης και του ρεύματος της ηλεκτρικής ενέργειας, του ρυθμού ροής, του χρονισμού και της διάρκειας της έγχυσης CO2, καθώς και του ρυθμού ροής, του χρονισμού και της διάρκειας της ανακυκλοφορίας του θαλασσινού νερού στον αντιδραστήρα.
Ανάλογα με τις συνθήκες, οι ουσίες που προέκυπταν ήταν πιο πορώδεις ή πιο πυκνές και σκληρές – αλλά πάντα αποτελούνταν κυρίως από ανθρακικό ασβέστιο ή/και υδροξείδιο του μαγνησίου. Οι ερευνητές μπορούν να αναπτύξουν τα υλικά γύρω από ένα ηλεκτρόδιο ή απευθείας σε διάλυμα.
«Δείξαμε ότι όταν παράγουμε αυτά τα υλικά, μπορούμε να ελέγξουμε πλήρως τις ιδιότητές τους, όπως η χημική σύνθεση, το μέγεθος, το σχήμα και την πορώδη μορφή τους», δήλωσε ο Loria. «Αυτό μας δίνει κάποια ευελιξία για να αναπτύξουμε υλικά κατάλληλα για διαφορετικές εφαρμογές».
Τα υλικά αυτά θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν στο σκυρόδεμα ως υποκατάστατο της άμμου ή/και του χαλικιού -ένα κρίσιμο συστατικό που αποτελεί το 60-70% αυτού του πανταχού παρόντος δομικού υλικού. Ή θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για την παρασκευή τσιμέντου, σοβάδων και χρωμάτων – όλα βασικά τελειώματα στο δομημένο περιβάλλον.
Αποθήκευση άνθρακα σε δομές
Ανάλογα με την αναλογία των ορυκτών, το υλικό μπορεί να συγκρατήσει πάνω από το μισό του βάρους του σε CO2. Με σύνθεση μισό ανθρακικό ασβέστιο και μισό υδροξείδιο του μαγνησίου, για παράδειγμα, 1 μετρικός τόνος του υλικού έχει τη δυνατότητα να αποθηκεύσει πάνω από μισό μετρικό τόνο CO2. Ο Loria λέει επίσης ότι το υλικό -αν χρησιμοποιηθεί για να αντικαταστήσει την άμμο ή τη σκόνη- δεν θα αποδυναμώσει την αντοχή του σκυροδέματος ή του τσιμέντου.
Σύμφωνα με τον καθηγητή, η βιομηχανία θα μπορούσε να εφαρμόσει την τεχνική σε εξαιρετικά κλιμακούμενους, αρθρωτούς αντιδραστήρες -όχι απευθείας στον ωκεανό- για να αποφύγει την ενόχληση των οικοσυστημάτων και της θαλάσσιας ζωής.
«Αυτή η προσέγγιση θα επέτρεπε τον πλήρη έλεγχο της χημείας των πηγών νερού και των υδάτινων αποβλήτων, τα οποία θα επανεισάγονται στο ανοιχτό θαλάσσιο νερό μόνο μετά από κατάλληλη επεξεργασία και περιβαλλοντικές επαληθεύσεις», δήλωσε.
Σύμφωνα με το Παγκόσμιο Οικονομικό Φόρουμ, η τσιμεντοβιομηχανία, υπεύθυνη για το 8% των παγκόσμιων εκπομπών CO2, είναι ο τέταρτος μεγαλύτερος παράγοντας εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα παγκοσμίως. Σε συνδυασμό με την παραγωγή σκυροδέματος, το ποσοστό αυτό είναι ακόμη υψηλότερο.
Ο Loria προβλέπει την επαναφορά μέρους αυτού του CO2 στο σκυρόδεμα και το τσιμέντο για την παραγωγή πιο βιώσιμων υλικών για κατασκευές και μεταποίηση. «Θα μπορούσαμε να δημιουργήσουμε μια κυκλικότητα όπου θα δεσμεύουμε το CO2 ακριβώς στην πηγή», σημειώνει.
«Και, αν τα εργοστάσια σκυροδέματος και τσιμέντου βρίσκονται σε ακτές, θα μπορούσαμε να χρησιμοποιήσουμε τον ωκεανό ακριβώς δίπλα τους για να τροφοδοτήσουμε ειδικούς αντιδραστήρες όπου το CO2 μετατρέπεται μέσω καθαρής ηλεκτρικής ενέργειας σε υλικά που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για μυριάδες εφαρμογές στον κατασκευαστικό κλάδο. Τότε, τα υλικά αυτά θα γίνονταν πραγματικά καταβόθρες άνθρακα».
