Substituir apenas um dos principais ingredientes do concreto por rocha vulcânica poderia reduzir as emissões de carbono da fabricação do material em quase dois terços, de acordo com um novo estudo.
O concreto nos deu o Panteão de Roma, a Sydney Opera House, a Hoover Dam e incontáveis monólitos em blocos. A rocha artificial cobre nossas cidades e estradas, está por trás de parques eólicos e painéis solares - e será despejada por tonelada em projetos de infraestrutura apoiados por investimentos de recuperação da COVID nos Estados Unidos e no exterior.
Isso tem um custo altíssimo para os esforços de combate às mudanças climáticas, no entanto, porque cimento—O elemento de ligação que é misturado com areia, cascalho e água para fazer concreto — está entre os maiores contribuintes industriais para o aquecimento global.
“O concreto é onipresente porque é um dos materiais de construção mais baratos, é facilmente manipulado e pode ser moldado em praticamente qualquer formato”, diz Tiziana Vanorio, professora associada de geofísica da Universidade de Stanford.
Mas a produção de cimento libera até 8% das emissões anuais de dióxido de carbono relacionadas à atividade humana, e a demanda deve aumentar nas próximas décadas, à medida que a urbanização e o desenvolvimento econômico impulsionam a construção de novos edifícios e infraestrutura.
“Se vamos reduzir as emissões de carbono aos níveis necessários para evitar uma mudança climática catastrófica, precisamos mudar a forma como fazemos cimento”, diz Vanorio.
Recifes de coral, cascas de lagosta e camarão mantis
CO do concreto2 O problema começa com o calcário, uma rocha feita principalmente de carbonato de cálcio. Para fazer o cimento Portland - o principal ingrediente pastoso do concreto moderno - o calcário é extraído, triturado e cozido em alta temperatura com argila e pequenas quantidades de outros materiais em fornos gigantes. A geração desse calor geralmente envolve a queima de carvão ou outros combustíveis fósseis, responsáveis por mais de um terço das emissões de carbono associadas ao concreto.
O calor desencadeia uma reação química que produz pedaços cinzentos do tamanho de uma bola de gude, conhecidos como clinquer, que são então triturados no pó fino que reconhecemos como cimento. A reação também libera carbono que poderia permanecer preso no calcário por centenas de milhões de anos. Esta etapa contribui com a maior parte do CO restante2 emissões da produção de concreto.
Vanorio e seus colegas estão agora fazendo um protótipo de cimento que elimina o CO2- reação química de brotamento, fazendo clínquer com um Rocha vulcânica que contém todos os blocos de construção necessários, mas nenhum carbono.
Como o material de construção mais usado no planeta, o concreto há muito é um alvo para reinvenção. Pesquisadores e empresas encontraram inspiração para novas receitas em recifes de coral, cascas de lagosta e os porretes em forma de martelo de camarão mantis. Outros estão substituindo parcialmente o clínquer por resíduos industriais como cinzas volantes de usinas de carvão ou injetando dióxido de carbono capturado na mistura como uma forma de diminuir o impacto do concreto no clima.
O presidente Joe Biden pediu a expansão da captura de carbono e do uso de hidrogênio combustível na fabricação de cimento para ajudar a reduzir pela metade as emissões de gases de efeito estufa dos EUA em relação aos níveis de 2005 até 2030.
Pule o calcário
Vanorio propõe eliminar totalmente o calcário e começar com uma rocha que poderia ser extraída em muitas regiões vulcânicas ao redor do mundo. “Podemos pegar essa rocha, moê-la e depois aquecê-la para produzir clínquer, usando os mesmos equipamentos e infraestrutura usados atualmente para fazer clínquer a partir do calcário”, diz ela.
Água quente misturada com esse clínquer de baixo teor de carbono não apenas o transforma em cimento, mas também promove o crescimento de longas cadeias entrelaçadas de moléculas que parecem fibras emaranhadas quando vistas ao microscópio. Estruturas semelhantes existem em rochas naturalmente cimentadas em ambientes hidrotérmicos - lugares onde água escaldante circula logo abaixo do solo - e em portos romanos de concreto, que sobreviveram a 2,000 anos de ataque de água salgada corrosiva e ondas violentas onde o concreto moderno normalmente desmoronaria em décadas.
Como o vergalhão comumente usado em estruturas de concreto modernas para evitar rachaduras, essas pequenas fibras minerais combatem a fragilidade usual do material.
“O concreto não gosta de ser esticado. Sem algum tipo de reforço, ele se quebrará antes de dobrar sob tensão ”, diz Vanorio, autor sênior de artigos recentes sobre microestruturas em concreto marinho romano e sobre o papel de física do rock na transição para um futuro de baixo carbono. A maior parte do concreto agora é reforçada em larga escala com aço.
“Nossa ideia é reforçá-lo em nanoescala, aprendendo como as microestruturas fibrosas efetivamente reforçam as rochas e as condições naturais que as produzem”, diz ela.
Lições de cura e resiliência
O processo que Vanorio imagina para transformar Rocha vulcânica no concreto assemelha-se ao modo como as rochas se cimentam em ambientes hidrotérmicos. Freqüentemente encontrados ao redor de vulcões e acima dos limites das placas tectônicas ativas, as condições hidrotérmicas permitem que as rochas reajam e se recombinem rapidamente em temperaturas não mais altas que um forno doméstico, usando água como um poderoso solvente.
Como a cura da pele, rachaduras e falhas na camada mais externa da Terra se unem ao longo do tempo por meio de reações entre minerais e água quente. “A natureza tem sido uma grande fonte de inspiração para materiais inovadores que imitam a vida biológica”, diz Vanorio. “Também podemos nos inspirar nos processos da Terra que permitem a cura e a resiliência a danos.”
De tijolos e metal forjado a vidro e plástico, as pessoas há muito tempo fabricam materiais usando as mesmas forças que impulsionam o ciclo das rochas da Terra: calor, pressão e água. Numerosos estudos arqueológicos e mineralógicos indicam que os antigos romanos podem ter aprendido a aproveitar a cinza vulcânica para a receita de concreto mais antiga conhecida, observando-a endurecer quando misturada naturalmente com água.
“Hoje temos a oportunidade de observar a cimentação com as lentes da tecnologia do século 21 e conhecer os impactos ambientais”, diz Vanorio.
Vanorio se uniu ao professor de ciência de materiais e engenharia Alberto Salleo para ir além da imitação da geologia para manipular seus processos para resultados específicos e propriedades mecânicas usando a engenharia em nanoescala. “Está se tornando cada vez mais evidente que o cimento pode ser projetado em nanoescala e deve ser estudado nessa escala também”, diz Salleo.
Abraçando os defeitos do concreto
Muitas das propriedades do cimento dependem de pequenas defeitos e na força dos laços entre os diferentes componentes, diz Salleo. As pequenas fibras que crescem e se entrelaçam durante a cimentação de rochas pulverizadas agem como cordas de aperto, conferindo força. “Gostamos de dizer que os materiais são como as pessoas: são os defeitos que os tornam interessantes”, afirma.
Em 2019, uma curiosidade permanente sobre o concreto antigo que ele vira entre as ruínas quando era criança em Roma, levou Salleo a procurar Vanorio, cuja própria jornada pela física das rochas começou depois de experimentar o dinamismo da crosta terrestre durante sua infância em um napolitano cidade portuária no centro de uma caldeira onde o concreto romano foi projetado pela primeira vez.
Desde então, Salleo passou a ver o trabalho em um clínquer de baixo carbono inspirado em processos geológicos como uma adequação lógica aos projetos de seu grupo relacionados à sustentabilidade, como células solares de baixo custo baseadas em materiais plásticos e dispositivos eletroquímicos para armazenamento de energia.
“Pensar em um clínquer de baixo carbono é outra forma de reduzir a quantidade de CO2 que enviamos para a atmosfera”, diz ele. Mas é apenas o começo. “A Terra é um laboratório gigantesco onde os materiais se misturam a altas temperaturas e altas pressões. Quem sabe quantas outras estruturas interessantes e úteis existem por aí? ”
Fonte: Universidade de Stanford
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Este artigo foi publicado originalmente em Futuridade
