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ENERGÍA. Cemento: reemplazar piedra caliza con roca volcánica podría reducir el uso de energía y las emisiones en dos tercios

 

Presa Hoover en EE.UU.


El hormigón nos ha dado el Panteón de Roma, la Ópera de Sídney, la presa Hoover y un sinnúmero de monolitos en bloques. La roca artificial cubre nuestras ciudades y carreteras, es la base de los parques eólicos y los conjuntos de paneles solares, y se verterá por toneladas en proyectos de infraestructura respaldados por inversiones de recuperación de COVID en los Estados Unidos y en el extranjero.

Sin embargo, eso tiene un costo elevado para los esfuerzos para combatir el cambio climático, porque el cemento, el elemento aglutinante que se mezcla con arena, grava y agua para hacer concreto, se encuentra entre los mayores contribuyentes industriales al calentamiento global .

El Panteón de Roma, de casi 2000 años de antigüedad, sigue siendo la cúpula de hormigón no reforzado más grande del mundo / IMAGEN: Rafael Dias Katayama / Shutterstock

"El hormigón es omnipresente porque es uno de los materiales de construcción más asequibles , se manipula fácilmente y se puede moldear en casi cualquier forma ", afirma Tiziana Vanorio,  profesora asociada de geofísica en la Universidad de Stanford.

Pero la producción de cemento desata hasta un  8 por ciento  de las emisiones anuales de dióxido de carbono relacionadas con la actividad humana , y se espera que la demanda aumente en las próximas décadas a medida que la urbanización y el desarrollo económico impulsen la construcción de nuevos edificios e infraestructura. “Si vamos a reducir las emisiones de carbono a los niveles necesarios para evitar un cambio climático catastrófico, debemos cambiar la forma en que fabricamos cemento”, dijo Vanorio.

Una planta de cemento en la provincia de Sichuan, China / IMAGEN: Shutterstock

Alto calor en hornos gigantes

El  problema del CO 2 del hormigón comienza con la piedra caliza, una roca compuesta principalmente de carbonato de calcio. Para hacer cemento Portland, el ingrediente pastoso principal del hormigón moderno, la piedra caliza se extrae, se tritura y se cuece a alta temperatura con arcilla y pequeñas cantidades de otros materiales en hornos gigantes. Generar este calor generalmente implica la quema de carbón u otros combustibles fósiles, lo que representa  más de un tercio  de las emisiones de carbono asociadas con el hormigón.

Carbono desbloqueado de piedra caliza

El calor desencadena una reacción química que produce grumos grises del tamaño de una canica conocidos como clinker, que luego se muelen en el polvo fino que reconocemos como cemento. La reacción también libera carbono que, de otro modo, podría permanecer encerrado en la piedra caliza durante  cientos de millones de añosEste paso contribuye con la mayor parte de las  emisiones de CO 2 restantes de la producción de hormigón.

El uso de roca volcánica no libera carbono

Con fondos de la  Alianza de Energía Estratégica  en el  Instituto Precourt de Energía de Stanford, Vanorio y sus colegas de Stanford ahora están creando un  prototipo de cemento  que elimina la reacción química de eructos de CO 2 al hacer clinker con una roca volcánica que contiene todos los bloques de construcción necesarios, pero ninguno de el carbono .

El hormigón ha sido durante mucho tiempo un objetivo de reinvención

Como material de construcción más utilizado en el planeta, el hormigón ha sido durante mucho tiempo un objetivo de reinvención. Investigadores y empresas han encontrado inspiración para nuevas recetas en  los arrecifes de coral , las  conchas de langosta  y las mazas de camarón mantis en forma de martillo  Otros están reemplazando parcialmente el clinker con desechos industriales como cenizas volantes de plantas de carbón o  inyectando dióxido de carbono capturado  en la mezcla como una forma de reducir el impacto climático del concreto. El presidente Joe Biden ha  pedido que se  amplíe la captura de carbono y el uso de combustible de hidrógeno en la fabricación de cemento para ayudar a reducir a la mitad las emisiones de gases de efecto invernadero de los Estados Unidos con respecto a los niveles de 2005 para 2030.

Vanorio propone eliminar por completo la piedra caliza y comenzar en su lugar con una roca que podría extraerse en muchas regiones volcánicas de todo el mundo . “Podemos tomar esta roca, molerla y luego calentarla para producir clinker usando el mismo equipo e infraestructura que se usa actualmente para hacer clinker a partir de piedra caliza”, dijo Vanorio.

El agua caliente mezclada con este clinker bajo en carbono no solo lo transforma en cemento, sino que también promueve el crecimiento de largas cadenas de moléculas entrelazadas que parecen fibras enredadas cuando se ven bajo un microscopio.

Imagen de microscopio electrónico de barrido de la matriz cementosa de una roca de falla. El cemento se ve como una red de fibras entrelazadas cuando se obtienen imágenes a nanoescala / IMAGEN: Cortesía de Shalev Siman-Sov, Siman-Tov et al., 2013

Existen estructuras similares en rocas cementadas naturalmente en ambientes hidrotermales , lugares donde el agua hirviendo circula justo debajo del suelo, y en puertos romanos de concreto, que han sobrevivido 2.000 años de asalto de agua salada corrosiva y olas violentas donde el concreto moderno típicamente se desmorona en décadas.

Al igual que las barras de refuerzo que se utilizan comúnmente en las estructuras de hormigón modernas para evitar el agrietamiento, estas diminutas fibras minerales combaten la fragilidad habitual del material . “Al hormigón no le gusta que lo estiren. Sin algún tipo de refuerzo, se romperá antes de doblarse bajo tensión ”, dijo Vanorio, autor principal de artículos recientes sobre  microestructuras en hormigón marino romano  y sobre el  papel de la física de rocas  en la transición hacia un futuro con bajas emisiones de carbono. La mayor parte del hormigón ahora se refuerza a gran escala con acero. “Nuestra idea es reforzarlo a nanoescala aprendiendo cómo las microestructuras fibrosas refuerzan eficazmente las rocas y las condiciones naturales que las producen”, dijo.

Imitando la naturaleza

El proceso que Vanorio prevé para transformar una roca volcánica en concreto se parece a la forma en que las rocas cementan en ambientes hidrotermales. A menudo se encuentran alrededor de volcanes y por encima de los límites de las placas tectónicas activas, las condiciones hidrotermales permiten que las rocas reaccionen rápidamente y se recombinen a temperaturas no más altas que las de un horno doméstico, utilizando agua como un poderoso solvente .

Al igual que la piel curada, las grietas y fallas en la capa más externa de la Tierra se unen con el tiempo a través de reacciones entre los minerales y el agua caliente. “La naturaleza ha sido una gran fuente de inspiración para materiales innovadores que imitan la vida biológica ”, dijo Vanorio. "También podemos inspirarnos en los procesos de la Tierra que permiten la curación y la resiliencia a los daños".

Desde ladrillos y metal forjado hasta vidrio y plásticos, la gente hace mucho tiempo que fabrica materiales utilizando las mismas fuerzas que impulsan el ciclo de las rocas de la Tierra: calor, presión y agua. Numerosos estudios arqueológicos y mineralógicos indican que los antiguos romanos pueden haber aprendido a aprovechar la ceniza volcánica para la receta de hormigón más antigua conocida al verla endurecerse cuando se mezcla naturalmente con agua . “Hoy tenemos la oportunidad de observar la cementación con la lente de la tecnología del siglo XXI y el conocimiento de los impactos ambientales”, dijo Vanorio.

En Stanford, se ha asociado con el profesor de ciencia e ingeniería de materiales  Alberto Salleo  para ir más allá de imitar la geología y manipular sus procesos para obtener resultados específicos y propiedades mecánicas utilizando ingeniería a nanoescala. “Cada vez es más evidente que el cemento puede diseñarse a nanoescala y también debe estudiarse a esa escala ”, dijo Salleo.

Aprovechando pequeños defectos para aumentar la fuerza

Muchas de las propiedades del cemento dependen de pequeños defectos y de la fuerza de las uniones entre los diferentes componentes, dijo Salleo. Las diminutas fibras que crecen y se entrelazan durante la cementación de rocas pulverizadas actúan como cuerdas tensoras, impartiendo fuerza

Pensar en un clínker bajo en carbono es otra forma de reducir la cantidad de CO 2  que enviamos a la atmósfera. Pero es solo el comienzo.  La Tierra es un laboratorio gigantesco donde los materiales se mezclan a altas temperaturas y altas presiones. ¿Quién sabe cuántas otras estructuras interesantes y útiles en última instancia existen?.

Fuente: Josie Garthwaite es Directora Asociada de Comunicaciones, Escuela de Ciencias de la Tierra, Energía y Medio Ambiente, Universidad de Stanford

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