Karbon Emen Bir Yapı Malzemesi

Bu hafta Worcester Polytechnic Institute'taki bir laboratuvarda araştırmacılar, sıradan betonun yapamadığı bir şeyi yapan bir macun sergilediler: Sertleşirken havadan karbondioksiti çekiyor ve onu kaya benzeri parçacıkların içine hapsediyor. Matter dergisinde yayımlanan ve inşaat mühendisi Nima Rahbar liderliğindeki ekip, ürünü "enzimatik yapı malzemesi" (ESM) olarak adlandırıyor. İddia çarpıcı: Rapor edilen yöntemlere göre, bir metreküp ESM üretim sırasında 6 kilogramdan fazla CO2 hapsedebilirken, geleneksel beton aynı hacim için tipik olarak 330 kilogram civarında emisyon yayıyor.

Enzim güdümlü mineralizasyon

ESM, biyolojik bir kısa yol etrafında inşa edilmiştir. Çimento endüstrisinin yaptığı gibi ham maddeleri yüksek sıcaklıklarda pişirmek veya yakalanan CO2'yi yeraltı rezervuarlarına taşımak yerine, WPI ekibi çözünmüş karbondioksiti katı mineral parçacıklarına dönüştüren kimyasal reaksiyonları hızlandırmak için bir enzim kullanıyor. Bu parçacıklar, güçlü ve hızlı kürlenen bir matris sağlayan bir malzeme işleme yaklaşımı olan kılcal süspansiyon karışımı içinde yük taşıyıcı faz olarak görev yapar. Makalenin yazarlarına göre enzimatik adım, yapısal bir bağlayıcı üretmek için gereken enerjiyi düşürüyor ve karbon dengesini net pozitiften net negatife kaydırıyor.

Performans ve karbon muhasebesi

Yeni yapı malzemelerine ilişkin bilim ve mühendislik iddiaları iki ölçüme dayanır: mekanik performans ve yaşam döngüsü karbonu. WPI ekibi, her iki alanda da malzemelerinin rekabetçi olduğunu belirtiyor. Kılcal süspansiyon tekniği yüksek mukavemet ve tokluğa sahip yoğun bir mikroyapı üretirken, enzimatik mineralizasyon, yararlı zaman ölçeklerinde atmosfere yeniden karışması muhtemel olmayan kararlı, çözünmeyen mineral karbona giden bir yol sağlar.

Araştırmacılar en önemlisi, sıradan betonla doğrudan bir karşılaştırma sunuyor: Bir metreküp Portland çimentosu bazlı beton üretimi tipik olarak yaklaşık 300–400 kg CO2 açığa çıkarırken, laboratuvar protokollerine göre aynı hacimde ESM üretimi net birkaç kilogram CO2 hapsi ile sonuçlanıyor. Bu fark, yüksek sıcaklıkta kalsinasyondan kaçınılmasından ve üretim sırasında karbonun katı formda kimyasal olarak hapsedilmesinden kaynaklanıyor.

Küresel karbon rakamlarının ötesinde malzeme, ekibin vurguladığı operasyonel faydalar sunuyor: tamir edilebilirlik, geri dönüştürülebilirlik ve daha düşük gömülü enerji. ESM yumuşak koşullar altında kürlendiği ve yerinde (in situ) oluşan bir mineral faza dayandığı için araştırmacılar, kullanım ömrü sonunda sökülebileceğini ve yeniden işlenebileceğini, böylece birçok modern beton ve kompozite kıyasla inşaat ve yıkım atıklarını azaltacağını savunuyor.

Pratik engeller ve ölçek büyütme

Laboratuvar vaadi, endüstriyel gerçeklikle aynı şey değildir. WPI makalesi ve basın materyalleri sonraki adımlar konusunda dürüst: üretimin ölçeklendirilmesi, istikrarlı enzim tedarikinin sağlanması ve üretim zincirinin tutarlı ham madde ve kalite kontrolü sağlayacak şekilde uyarlanması. Enzimler sıcaklığa, pH'a ve safsızlıklara karşı hassas olabilir; endüstriyel süreçlerin maliyet etkin kalırken katalitik aktiviteyi koruması gerekecektir.

Düzenleyici meseleler de gündemde. Yapı malzemeleri; bina yönetmeliklerine, rüzgar ve sismik standartlara, yangın yönetmeliklerine ve uzun vadeli dayanıklılık testlerine uygun olmalıdır. Ekip, laboratuvar testlerinde cesaret verici mukavemet ve dayanıklılık bildiriyor ancak ESM'nin mimarlar tarafından şartnamelere dahil edilmesi veya kamu alımlarında zorunlu tutulması öncesinde saha denemeleri, hava koşullarına dayanıklılık çalışmaları ve sertifikasyon kampanyaları gerekecektir. Ayrıca ham madde sorusu da var: Kılcal süspansiyon kimyası, ölçeklenebilir ve uygun maliyetli olması için güvenilir bir şekilde tedarik edilmesi veya yerel endüstriyel yan ürünlerden üretilmesi gereken belirli parçacık ve bağlayıcı dağılımlarına dayanıyor.

Son olarak, herhangi bir gerçek dünya uygulamasındaki karbon muhasebesi tüm tedarik zincirine bağlı olacaktır. Enzimler veya öncüller uzun mesafelere nakledilirse veya yardımcı işlemler fosil yakıt enerjisi gerektirirse, net iklim faydası azalabilir. Araştırmacılar, düşük enerjili üretim ve yenilenebilir biyolojik girdilerin tasarım felsefelerinin bir parçası olduğunu vurguluyor ancak karbon-negatif iddiasını laboratuvar dışında doğrulamak için bağımsız yaşam döngüsü analizlerine ve farklı iklimlerde, farklı tedarik zincirleriyle yürütülen pilot uygulamalara ihtiyaç duyulacaktır.

ESM inşaat tercihlerini nasıl değiştirebilir?

Malzemenin avantajları pilot uygulamalarda kanıtlanırsa ESM; geri dönüştürülmüş agregalı betonlar, mineral karbonatlaşma blokları, geopolimer bağlayıcılar ve hatta endüstriyel ortamlarda sorbent görevi gören ileri dönüştürülmüş plastikler gibi genişleyen düşük karbonlu veya karbon depolayan yapı seçenekleri arasında yerini alabilir. WPI ekibi; çatı kaplamaları, duvar panelleri ve uygun fiyatlı konutlar veya fırtına ve depremlerin ardından hızlı onarım altyapısı için modüler üniteler gibi hızlı üretim ve hafifliğin değerli olduğu yakın vadeli uygulamalara işaret ediyor.

Potansiyel sistemik etkiyi vurgulamakta fayda var. Beton her yerdedir: Sadece Portland çimentosunun küresel üretimi, endüstriyel emisyonların önemli bir kısmını oluşturmaktadır. Yük taşımayan ve yarı yapısal uygulamalarda karbon-negatif yapı elemanlarının kısmi kullanımı bile emisyonları azaltacak ve yeni üretim yolları için talep yaratacaktır. Araştırmacılar, malzemenin çimentonun karbon ayak izine hakim olan yüksek sıcaklık adımlarından kaçınması nedeniyle, mütevazı bir benimsemenin bile inşaat sektörü emisyonlarını önemli ölçüde azaltabileceğini tahmin ediyor.

Karbon yakalama inovasyonu içindeki bağlam

Bu entegrasyon ilginç politika ve pazar sorularını gündeme getiriyor. Binalar onlarca yıl dayanır; hapsedilen karbonun dayanıklı bileşenlere gömülmesi -doğrulanması halinde- jeolojik rezervuarlara dayanmayan uzun vadeli bir depolama yolu yaratır. Aynı zamanda karbon politikasının merkezini bina standartlarına, tedarik kurallarına ve döngüsel ekonomi çerçevelerine kaydırıyor. Hükümetler, sigortacılar ve standart belirleyici kuruluşlar, teşvikleri veya zorunlulukları değerlendirirken malzeme ömürlerini, onarılabilirliği ve geri dönüştürülebilirliği göz önünde bulundurmak zorunda kalacaktır.

Sonraki adımlar ve temkinli bir iyimserlik

WPI ekibi ve iş birliği yapanlar, hakem değerlendirmesi ve yayınlama gibi kritik bir adımı attılar; sonraki hamleler ortaklık odaklı olacaktır. Üretim ölçeğini test etmek için endüstriyel pilot uygulamalar, sahaya özel dayanıklılık denemeleri ve bağımsız yaşam döngüsü değerlendirmeleri mantıklı takip adımlarıdır. Eğer enzim üretimi düşük maliyetle endüstriyelleştirilebilir ve üretim zinciri yerelleştirilebilirse, ESM birkaç yıl içinde akademik bir gösterimden ticari bir ürüne dönüşebilir.

Daha geniş kapsamlı ders pragmatiktir: Karbonsuzlaşma tek bir sihirli değnek teknolojiden değil, birbirini tamamlayan birçok malzeme, süreç ve politikadan gelecektir. ESM, bu bulmacanın umut verici bir parçasını sunuyor: CO2'yi binaların dokusuna hapsetmek için tasarlanmış bir yol. Vaat gerçek; yaygın kullanıma giden yol mühendislik, lojistik ve standartların ve pazarların yeni kimya ile uyum sağladığı sabırlı çalışmalarla ölçülecektir.