اكتشاف مسارات كربنة جديدة لإنشاء المزيد من الخرسانة الصديقة للبيئة.. مستقبل متفائل لمواد بناء محايدة الكربون

على الرغم من المزايا العديدة للخرسانة كمواد بناء حديثة، بما في ذلك قوتها العالية وتكلفتها المنخفضة وسهولة تصنيعها ، فإن إنتاجها يمثل حاليًا ما يقرب من 8 ٪ من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون العالمية.

كشفت الاكتشافات الحديثة التي قام بها فريق في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا أن إدخال مواد جديدة في عمليات تصنيع الخرسانة الحالية يمكن أن يقلل بشكل كبير من انبعاثات الكربون ، دون تغيير الخصائص الميكانيكية للخرسانة.

بعد الماء، تعتبر الخرسانة ثاني أكثر المواد استهلاكًا في العالم، وتمثل حجر الزاوية في البنية التحتية الحديثة، أثناء تصنيعه ، يتم إطلاق كميات كبيرة من ثاني أكسيد الكربون، كمنتج ثانوي كيميائي لإنتاج الأسمنت وفي الطاقة اللازمة لتغذية هذه التفاعلات.

حرق الوقود الأحفوري

يأتي ما يقرب من نصف الانبعاثات المرتبطة بإنتاج الخرسانة من حرق الوقود الأحفوري مثل النفط والغاز الطبيعي، والتي تستخدم لتسخين مزيج من الحجر الجيري والطين الذي يصبح في النهاية مسحوقًا رماديًا مألوفًا يُعرف باسم الأسمنت البورتلاندي العادي (OPC) .

في حين أن الطاقة المطلوبة لعملية التسخين هذه يمكن استبدالها في النهاية بالكهرباء المولدة من مصادر الطاقة الشمسية أو الرياح المتجددة، فإن النصف الآخر من الانبعاثات متأصل في المادة نفسها: حيث يتم تسخين المزيج المعدني إلى درجات حرارة أعلى من 1400 درجة مئوية، يخضع لتحول كيميائي من كربونات الكالسيوم والطين إلى خليط من الكلنكر (يتكون أساسًا من سيليكات الكالسيوم) وثاني أكسيد الكربون – مع تسرب الأخير إلى الهواء.

بيئة مثالية لعزل ثاني أكسيد الكربون وتخزينه

عندما يتم خلط OPC بالماء والرمل والحصى أثناء إنتاج الخرسانة، فإنها تصبح شديدة القلوي ، مما يخلق بيئة مثالية على ما يبدو لعزل ثاني أكسيد الكربون وتخزينه على المدى الطويل في شكل مواد كربونية (عملية تعرف باسم الكربنة).

على الرغم من قدرة الخرسانة على امتصاص ثاني أكسيد الكربون بشكل طبيعي من الغلاف الجوي، عندما تحدث هذه التفاعلات بشكل طبيعي، بشكل أساسي داخل الخرسانة المعالجة ، فإنها يمكن أن تضعف المادة وتخفض القلوية الداخلية ، مما يسرع من تآكل حديد التسليح.

تدمر هذه العمليات في النهاية قدرة تحمل المبنى وتؤثر سلبًا على أدائه الميكانيكي على المدى الطويل، على هذا النحو ، فإن تفاعلات الكربنة البطيئة في المراحل المتأخرة هذه ، والتي يمكن أن تحدث على مدى عقود ،

نُشرت النتائج اليوم في مجلة PNAS Nexus ، في ورقة بحثية أعدها أساتذة الهندسة المدنية والبيئية في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا.

يقول أدمير ماسك المؤلف الرئيسي للبحث: “المشكلة في تفاعلات الكربنة بعد المعالجة هذه هي أنك تعطل بنية وكيمياء مصفوفة الأسمنت التي تكون فعالة جدًا في منع تآكل الفولاذ ، مما يؤدي إلى التدهور.”

مسارات عزل ثاني أكسيد الكربون الجديدة

في المقابل ، تعتمد مسارات عزل ثاني أكسيد الكربون الجديدة التي اكتشفها المؤلفون على التكوين المبكر جدًا للكربونات أثناء خلط الخرسانة وصبها، قبل أن تتماسك المواد، مما قد يقضي إلى حد كبير على الآثار الضارة لامتصاص ثاني أكسيد الكربون بعد معالجة المواد.

بيكربونات الصوديوم

مفتاح العملية الجديدة هو إضافة عنصر واحد بسيط وغير مكلف: بيكربونات الصوديوم ، والمعروف باسم صودا الخبز، في الاختبارات المعملية باستخدام بدائل بيكربونات الصوديوم، أظهر الفريق أنه يمكن تمعدن ما يصل إلى 15٪ من إجمالي كمية ثاني أكسيد الكربون المرتبطة بإنتاج الأسمنت خلال هذه المراحل المبكرة – وهو ما يكفي لإحداث تأثير كبير في البصمة الكربونية العالمية للمادة.

يقول ماسك: “كل هذا مثير للغاية، لأن بحثنا يطور مفهوم الخرسانة متعددة الوظائف من خلال دمج الفوائد الإضافية لتمعدن ثاني أكسيد الكربون أثناء الإنتاج والصب.”

علاوة على ذلك، فإن الخرسانة الناتجة تتجمع بسرعة أكبر من خلال تشكيل مرحلة مركبة غير موصوفة سابقًا، دون التأثير على أدائها الميكانيكي.

وبالتالي تسمح هذه العملية لصناعة البناء بأن تكون أكثر إنتاجية: يمكن إزالة أعمال النموذج في وقت سابق، مما يقلل الوقت المطلوب لإكمال الجسر أو المبنى، يقول ماسيك إن المركب ، وهو مزيج من كربونات الكالسيوم وهيدرات سيليكون الكالسيوم ، “مادة جديدة تمامًا”.

علاوة على ذلك ، من خلال تشكيلها ، يمكننا مضاعفة الأداء الميكانيكي للخرسانة في مرحلة مبكرة”، يضيف ، لا يزال هذا البحث جهدًا مستمرًا “في حين أنه من غير الواضح حاليًا كيف سيؤثر تشكيل هذه المراحل الجديدة على أداء الخرسانة على المدى الطويل ، فإن هذه الاكتشافات الجديدة تشير إلى مستقبل متفائل لتطوير مواد البناء المحايدة الكربون”.

كربنة الخرسانة في المراحل المبكرة

في حين أن فكرة كربنة الخرسانة في المراحل المبكرة ليست جديدة ، وهناك العديد من الشركات القائمة التي تستكشف حاليًا هذا النهج لتسهيل امتصاص ثاني أكسيد الكربون بعد صب الخرسانة في الشكل المطلوب ، فإن الاكتشافات الحالية لفريق MIT تسلط الضوء على حقيقة أن تم التقليل إلى حد كبير من قدرة الخرسانة على عزل ثاني أكسيد الكربون وتقليل استخدامها.

يقول ماسك،”يمكن دمج اكتشافنا الجديد أيضًا مع الابتكارات الحديثة الأخرى في تطوير مضافات خرسانية منخفضة الكربون لتوفير مواد بناء أكثر خضرة ، وحتى خالية من الكربون للبيئة المبنية ، مما يحول الخرسانة من كونها مشكلة إلى جزء من الحل”.

تابعنا على تطبيق نبض