Globalna produkcja cementu odpowiada za 7% rocznych emisji gazów cieplarnianych, w dużej mierze dzięki spalaniu wydobywanego wapienia. Tymczasem zespół badawczy CU Boulder wymyślił sposób na to, aby produkcja cementu była neutralna pod względem emisji dwutlenku węgla, a nawet ujemna, poprzez usuwanie dwutlenku węgla z powietrza za pomocą mikroalg.

Inżynierowie CU Boulder i ich koledzy z Algal Resources Collection w Uniwersytecie Karoliny Północnej Wilmington (UNCW) i National Renewable Energy Laboratory (NREL) zostali nagrodzeni za swoją innowacyjną pracę grantem w wysokości 3,2 miliona dolarów od Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych ( DOE) Agencja Zaawansowanych Projektów Badawczych – Energia (ARPA-E).

Zespół badawczy został niedawno wybrany przez program HESTIA (Harnessing Emissions into Structures with the Atmosphere) do opracowania i zwiększenia skali produkcji biogenicznego cementu portlandzkiego na bazie wapienia oraz do pomocy w budowaniu bezemisyjnej przyszłości.

„To naprawdę ekscytujący moment dla naszego zespołu” – powiedział Wil Srubar, główny badacz projektu i profesor nadzwyczajny inżynierii lądowej, środowiskowej i architektonicznej oraz programu inżynierii materiałowej CU Boulder. „Dla branży nadszedł czas, aby rozwiązać ten bardzo nikczemny problem. Wierzymy, że mamy jedno z najlepszych rozwiązań, jeśli nie najlepsze, dla przemysłu cementowego i betonowego, aby rozwiązać jego problem z węglem”.

Beton jest jednym z najbardziej wszechobecnych materiałów na świecie, podstawowym elementem konstrukcji na całym świecie. Rozpoczyna się jako mieszanina wody i cementu portlandzkiego, która tworzy pastę, do której dodaje się materiały takie jak piasek, żwir lub tłuczeń kamienny. Pasta wiąże ze sobą kruszywo, a mieszanina twardnieje w beton.

Do produkcji cementu portlandzkiego, najpowszechniejszego rodzaju cementu, wapień jest wydobywany z dużych kamieniołomów i spalany w wysokich temperaturach, uwalniając duże ilości dwutlenku węgla. Zespół badawczy odkrył, że zastąpienie wydobywanego wapienia wapieniem biologicznie uprawianym, naturalnym procesem, który niektóre gatunki mikroalg wapiennych wykonują w procesie fotosyntezy (podobnie jak rosnące rafy koralowe), tworzy neutralny pod względem emisji dwutlenku węgla sposób wytwarzania cementu portlandzkiego. Krótko mówiąc, dwutlenek węgla uwolniony do atmosfery jest równy temu, co już wychwyciły mikroalgi.

Zmielony wapień jest również często używany jako materiał wypełniający w cemencie portlandzkim, zwykle zastępując 15% mieszanki. Stosując jako wypełniacz biogeniczny wapień zamiast wydobywanego wapienia, cement portlandzki może stać się nie tylko neutralny netto, ale także pod względem emisji dwutlenku węgla, wyciągając dwutlenek węgla z atmosfery i przechowując go na stałe w betonie.

Gdyby wszystkie konstrukcje oparte na cemencie na całym świecie zostały zastąpione biogenicznym cementem wapiennym, każdego roku aż 2 gigaton dwutlenku węgla nie byłyby już pompowane do atmosfery, a ponad 250 milionów dodatkowych ton dwutlenku węgla zostałoby wyciągniętych z atmosfery i przechowywane w tych materiałach.

Teoretycznie może to nastąpić z dnia na dzień, ponieważ biogeniczny wapień może „podłączać się i grać” w nowoczesnych procesach produkcji cementu, powiedział Srubar. „Widzimy świat, w którym wykorzystanie betonu, jaki znamy, jest mechanizmem uzdrawiania planety” – powiedział Srubar. „Mamy narzędzia i technologię, aby to zrobić dzisiaj”.

Wapień w czasie rzeczywistym

Srubar, który kieruje Laboratorium Materiałów Żywych w CU Boulder, otrzymał nagrodę National Science Foundation CAREER w 2020 roku za zbadanie, jak hodować cząstki wapienia przy użyciu mikroalg do produkcji betonu z pozytywnymi korzyściami dla środowiska. Pomysł przyszedł mu do głowy podczas snurkowania podczas miesiąca miodowego w Tajlandii w roku 2017. Na rafach koralowych widział na własne oczy, jak natura wytwarza swoje trwałe, trwałe struktury z węglanu wapnia, głównego składnika wapienia. „Jeśli natura potrafi wyhodować wapień, dlaczego my nie możemy?” on myślał.

„Było dużo jasności w tym, do czego musiałem dążyć w tym momencie. I wszystko, co zrobiłem od tego czasu, naprawdę do tego zmierzało” – powiedział Srubar. Wraz ze swoim zespołem zaczął hodować kokolitofory, mętne białe mikroalgi, które poprzez fotosyntezę sekwestrują i przechowują dwutlenek węgla w postaci mineralnej. Jedyna różnica między wapieniem a tym, co te organizmy tworzą w czasie rzeczywistym, to kilka milionów lat.

Za pomocą światła słonecznego, wody morskiej i rozpuszczonego dwutlenku węgla te maleńkie organizmy wytwarzają największe ilości nowego węglanu wapnia na planecie w szybszym tempie niż rafy koralowe. Kwitnące kokolitofory w oceanach świata są tak duże, że można je zobaczyć z kosmosu. „Na powierzchni tworzą te bardzo skomplikowane, piękne muszle z węglanu wapnia. To w zasadzie zbroja z wapienia, która otacza komórki” – powiedział Srubar.

Komercjalizacja kokolitoforów

Te mikroalgi to wytrzymałe małe stworzenia, żyjące zarówno w ciepłych, jak i zimnych, słonych i słodkich wodach na całym świecie, co czyni je doskonałymi kandydatami do uprawy niemal wszędzie – w miastach, na lądzie lub na morzu.

Według szacunków zespołu, tylko 1 do 2 milionów akrów otwartych stawów wystarczyłoby do wyprodukowania całego cementu, którego potrzebują USA – 0,5% całej powierzchni lądowej w USA i tylko 1% gruntów wykorzystywanych do uprawy kukurydzy.

A kamień wapienny nie jest jedynym produktem, jaki mogą wytworzyć mikroalgi: lipidy, białka, cukry i węglowodany z mikroalg mogą być wykorzystywane do produkcji biopaliw, żywności i kosmetyków, co oznacza, że ​​mikroalgi mogą być również źródłem innych, droższych produktów ubocznych — pomagających zrekompensować koszty produkcji wapienia.

Aby stworzyć te produkty uboczne z biomasy alg i jak najszybciej zwiększyć produkcję wapienia, Algal Resources Collection w UNCW pomaga w wyborze szczepu i optymalizacji wzrostu mikroalg. NREL zapewnia najnowocześniejsze narzędzia molekularne i analityczne do prowadzenia biochemicznej konwersji biomasy alg na biopaliwa i bioprodukty.

Są firmy zainteresowane kupnem tych materiałów, a wapień jest już dostępny w ograniczonych ilościach. Minus Materials, Inc., startup CU założony w roku 2021 i partner zespołu w zakresie komercjalizacji, napędza badania zespołu nad przestrzenią komercyjną przy wsparciu finansowym inwestorów i partnerstw korporacyjnych, według Srubara, współzałożyciela i pełniącego obowiązki dyrektora generalnego.

Firma Minus Materials wcześniej wygrała ogólnouczelniany konkurs konkursowy Lab Venture Challenge i zapewniła przedsiębiorstwu finansowanie w wysokości 125 000 USD.

Obecne tempo globalnego budownictwa jest oszałamiające, na drodze do budowy nowego Nowego Jorku co miesiąc przez następne 40 lat. Dla Srubara ten globalny wzrost to nie tylko okazja do przekształcenia budynków w pochłaniacze dwutlenku węgla, ale także do oczyszczenia branży budowlanej. Ma nadzieję, że zastąpienie wydobywanego wapienia wersją rodzimą może również poprawić jakość powietrza, zmniejszyć szkody dla środowiska i zwiększyć sprawiedliwy dostęp do materiałów budowlanych na całym świecie.

„Produkujemy więcej betonu niż jakikolwiek inny materiał na naszej planecie, a to oznacza, że ​​wpływa on na życie wszystkich ludzi”, powiedział Srubar. „Naprawdę ważne jest, abyśmy pamiętali, że ten materiał musi być przystępny cenowo i łatwy w produkcji, a korzyściami muszą być dzielone w skali globalnej”.

irme.pl

Źródło: University of Colorado Boulder