Deoarece construcţiile din Roma antică rezistă până în prezent, inginerii MIT au creat o nouă metodă de a produce ciment cu impact minim CO2, inspirată de la romani

Oricine a vizitat Roma vreodată şi monumentele ei, sau a observat multe din construcţiile zidite în perioada Romei antice prin alte regiuni, a observat că acestea rezistă de minune până în prezent, fie că e vorba de drumuri, edificii, apeducte sau poduri. Şi dacă azi construcţiile sunt zidite preponderent din beton produs din ciment, care e produs la rândul lui folosind cuptoare industriale mari, cu procese tehnologice de decurg la 1.450 grade Celsius, romanii antici nu aveau asemenea opţiuni, dar totuşi construcţiile zidite de ei reuşesc cumva să reziste în timp chiar mai bine decât cele moderne. Acest fapt i-a intrigat pe câţiva ingineri şi profesori de la universitatea MIT (Massachusetts Institute of Technology) să conceapă o nouă metodă inspirată de la romani de a produce cimentului în zilele noastre, care să mai genereze şi un impact minim de CO2.

Ideea a fost concepută şi conturată de start-up-ul Sublime Systems, fondat iniţial în cadrul programelor de susţinere a ideilor inovativ ale MIT. Start-up-ul e fondat de canadianca Leah Ellis, care a venit în 2018 la MIT pentru studii post-universitate, după ce a primit de la guvernul canadian o bursă de merit excepţional şi i s-a permis să meargă oriunde în lume să studieze, cu costurile acoperite de guvernul Canadei. Acum ea e doctor în inginerie, iar în 2020 şi-a unit forţele cu profesorul MIT de origine americano-thailandeză Yet-Ming Chiang, care profesează de 40 de ani în această universitate şi care s-a învrednicit între de multiple distincţii majore în SUA, investind totodată în mai multe start-up-uri care implementează ideile la care a contribuit şi el.

Foto: Leah Ellis şi Yet-Ming Chiang, cei doi fondatori ai start-up-ului

Cei doi aveau o experienţă enormă mai ales în tehnologia bateriilor, iar Chiang are şi realizări în domeniul materialelor ceramice. Însă ambii şi-au propus să-şi concentreze atenţia spre industria cimentului, cea care e responsabilă de cantităţi imense de emisii CO2 în lume şi care e totodată la baza civilizaţiei noastre şi nu poate beneficia de tehnologii înlocuitoare atât de uşor precum producţia de electricitate, spre exemplu. Agenţia Internaţională de Energie estimează că producţia cimentului e responsabilă de emiterea a 7% din CO2-ul generat de umanitate, producând emisii anuale de 4 gigatone de CO2. Asta înseamnă 4 miliarde de tone de CO2 emise anual de producţia cimentului în lume. Mai mult ca atât, aceeaşi agenţie estimează că până în 2050 cererea de ciment şi construcţii va creşte, astfel încât emisiile vor ajunge la 6 gigatone anual.

Cauza acestor emisii uriaşe vine din însăşi procesul de fabricare a cimentului. Pe de o parte, e nevoie de cuptoare industriale mari, care să asigure 1.450 grade Celsius, iar acele temperaturi sunt de obicei asigurate prin ardere de hidrocarburi, fie cărbuni, fie gaz natural, mai frecvent. Şi e nevoie de cantităţi mari de hidrocarburi arse pentru fiecare din aceste cuptoare, fapt care generează emisii mari.

În viitor, sunt planificate treceri ale acestor cuptoare la combustie de hidrogen în loc de gaz, motiv pentru care Siemens, de exemplu, a fost contractat să construiască instalaţii pentru cea mai mare fabrică de hidrogen din Germania, iar Europa planifică o întreagă reţea de conducte de hidrogen, unde acestea să fie produs mai ales în Spania şi Portugalia şi să fie transportat prin conducte spre Germania şi Franţa. De asemenea, şi elveţienii de la Holcim pregătesc mai multe fabrici de-ale lor din Europa să capteze CO2-ul emis la producţia de ciment, lichefiindu-l şi stocându-l pentru alte scopuri, în loc de a-l emite în atmosferă.

Dar marea problemă e că nu doar generarea de căldură în aceste cuptoare e o sursă de CO2 la producţia de ciment, ci şi folosirea calcarului în acest proces, care conţine de la 50% în sus CO2 în masa sa. În procesul de producţie a cimentului, calcarul e încălzit pentru a crea materia primă pentru ciment şi aproape tot CO2-ul conţinut iniţial în acel calcar e emis în atmosferă, pe lângă CO2-ul emis pentru generarea căldurii de 1.450 grade Celsius. Deci e o particularitate a acestui proces ce n-ar putea fi înlocuită nici dacă s-ar arde hidrogen în loc de gaz pentru căldură, pentru că emisiile din calcar ar rămâne prezente.

Ceea ce au creat cei doi ingineri de la MIT şi echipa lor de ingineri e un proces de producţie a cimentului prin metodă electrochimică. Standardul minim pe care şi-l doreau să-l atingă era cel stabilit pentru cel mai răspândit tip de ciment din lume, Portland. Standardul maxim era să se apropie cât mai mult de duritatea excepţională a cimentului şi mortarului folosit cândva de romanii antici.

Da, şi romanii foloseau un soi de ciment pe care-l produceau din amestecarea calcarului mărunţit mecanic, deci oxid de calciu în esenţă, cu cenuşă vulcanică, iar în construcţie foloseau un agregator precum piatra spartă pentru a produce un soi de beton. Marele secret al durităţii construcţiilor romane vine din folosirea cenuşii vulcanice, care făcea amestecul foarte rezistent, permiţând chiar auto-tratarea crăpăturilor în timp. Compoziţia cenuşii vulcanice poate varia, dar de obicei conţine preponderent SiO2, adică dioxid de siliciu. Mai poate conţine oxizi de aluminiu, de calciu, de fier şi de magneziu.

Foto: Compoziţia amestecturilor ce ciment roman

Procesul electrochimic al inginerilor de la MIT foloseşte electricitatea pentru descompune legăturile din rocile de silicat de calciu la temperatura camerei în calciu reactiv şi silicaţi, care sunt uscaţi amestecaţi în ceea ce devine cimentul Sublime. Putem observă prezenţa silicaţilor aici, şi anume pe ei se bazează replicarea compoziţiei esenţiale din cenuşa vulcanică. Deci, efectiv, inginerii MIT s-au inspirat din faptul că romanii foloseau cenuşă vulcanică şi au găsit o metodă de a o replica în compoziţia cimentului lor, asigurând astfel o duritate similară, reuşind să facă tot procesul la temperatura camerei, fără necesitata temperaturilor imense. Astfel, ei au evitat şi folosirea emisiile de CO2 de la încălzirea calcarului, şi cele cauzate de cuptoarele industriale.

Mixtura finală are un grad de duritate cel puţin egal cu atunci când e folosită în producţia de beton şi alte amestecuri, spun inginerii, respectând standardele cimentului Portland şi toate standardele din construcţie dar, de fapt, păstrarea ei în timp va fi mult mai bună datorită acelui ingredient inspirat de la romani. Desigur, există un consum semnificativ de electricitate, iar dacă electricitatea vine din surse regenerabile cu CO2, atunci tot procesul e generator de zero CO2 până la absolut.

Iar noua lor metodă nu e doar o elaborare experimentală, ci una deja certificată şi patentată. Mai mult ca atât, de curând 3 tone de ciment Sublime produs de ei au fost folosite la o parte din cea mai mare clădire comercială cu emisii nete de zero CO2 din Boston, situată în regiunea Seaport. Acest edificiu va servi drept exemplu al produsului lor, iar între timp start-up-ul a primit deja investiţii pentru a construi o fabrică în Holyoke, Massachusetts, unde vor putea produce iniţial 30.000 tone de ciment anual, după care vor putea creşte producţia la 1 milion de tone anual. Noua fabrică va deveni complet operaţională în 2026. Şi, din câte se pare, va fi prima din lume care produce ciment cu zero CO2 nu doar pe partea de generare de căldură în cuptoare, şi ci pe partea evitării emisiilor din calcar.