Материаловед работает над тем, чтобы революционизировать бетон и радикально сократить выбросы CO2.
Энтузиазм Франко Зунино по поводу объекта своего исследования не знает границ: «Магия и красота заключаются в трансформации. Бетон начинается как кремообразная жидкость, которую можно залить в форму. На выходе получается прочный и долговечный продукт. Бетон позволяет нам воплотить в жизнь даже самую придуманную идею».
То круглые, то угловатые бетонные сооружения царапают небо, разбивают волны и прорезают горы. Бетон обеспечивает обитаемость и защищает от огня, воды, загрязнения и радиации. В сочетании со сталью этот «искусственный камень» выдерживает огромные нагрузки.
«Бетон — волшебный материал, — говорит Зунино. Неудивительно, что она продолжает распространяться. Людям требуется все больше и больше материала, особенно в быстро развивающихся регионах мира, таких как Индия, Африка, Юго-Восточная Азия и Южная Америка. Однако есть проблема: на его производство расходуется огромное количество энергии и выделяется большое количество CO 2 .
От пекарни до печи
Зунино работает в группе физической химии строительных материалов Института строительных материалов ETH Zurich. Уроженец Чили, он уже шесть лет занимается исследованиями в Швейцарии, как он сам говорит, «для будущего нашей планеты». С 2022 года его также поддерживает грант Ambizione от SNSF. У бабушки и дедушки Зунино была пекарня. Сегодня в сверкающей лаборатории института, среди высокопроизводительных печей и миксеров, Зунино до сих пор напоминает дрожжевую свежесть чилийского хлеба. Малейший укус возвращает его в детство.
В детстве он был очарован методичным процессом выпечки хлеба — точным отмериванием ингредиентов, взвешиванием муки, реакциями в тесте, его консистенцией и развитием вкуса. «Рецепт зависит от количества. Щепотка соли делает хлеб вкусным, слишком много делает его несъедобным». Бетон также очищается за счет минимального количества добавок. Это может сделать его более работоспособным или текучим, прочным или даже более долговечным. Но они также могут сделать его непригодным для использования.
Зунино берет гладкий серый бетонный куб. Он состоит всего из нескольких простых ингредиентов: цемента, песка, гравия, добавок и воды. Известняк и глину сначала нагревают в печи и вместе измельчают в порошок. В результате получается цемент, вяжущее вещество, которое неспециалисты часто путают с настоящим бетоном. При добавлении воды получается паста, которая затем затвердевает. Правильно составленный бетон надежен, безопасен, прочен и неприхотлив — идеальный выбор для фундаментов и колонн.
За исключением одной проблемы. Процесс обжига цемента не только потребляет энергию, но и выделяет значительное количество CO 2 из известняка. Следовательно, бетонная промышленность является основным источником выбросов парниковых газов и ответственна за до 9% искусственных выбросов парниковых газов во всем мире. Это примерно в четыре раза превышает вклад всех воздушных перевозок. Тем не менее, эти цифры следует рассматривать в перспективе.
«По сравнению с другими строительными материалами, такими как сталь, алюминий и стекло, — говорит Зунино, — бетон имеет относительно небольшой углеродный след. Одно лишь количество материала делает его след таким огромным». Даже древесина является непрактичной заменой в качестве строительного материала, потому что ее потребуется слишком много: чтобы заменить хотя бы половину бетона древесиной, вам, вероятно, придется посадить лес размером с Индию и ждать 30 лет. «Дальнейшее улучшение бетона, этого прекрасного строительного материала, станет значительным шагом вперед в отрасли. Потенциал огромен».
По этой причине Зунино и его команда хотят разработать новое семейство бетона — ультразеленый бетон. По оценкам исследователей, это может сэкономить до 800 миллионов тонн CO 2 во всем мире в год, что соответствует 2% выбросов углерода , производимых людьми во всем мире, или в 20 раз больше выбросов углерода в Швейцарии.
Чтобы достичь этого, Зунино будет полагаться на двойную стратегию. Во-первых, доля цемента (особенно выделяющего CO 2 компонента) будет снижена примерно на 60–70 % за счет замены его минеральными добавками. Цель состоит в том, чтобы эти минеральные добавки, а не цемент, формировали взаимодействия в бетоне. Для этого потребуются новые типы химических добавок, в частности, так называемые полимерные диспергаторы, которые являются ключевым направлением исследований. Во-вторых, доля вяжущего в бетоне, т. е. цемент плюс вода, также будет снижена. Теперь большая проблема состоит в том, чтобы понять до мельчайших деталей сложный баланс между поведением текучести и развитием прочности, чтобы сохранить те же свойства, несмотря на измененную формулу.
Нет альтернативы бетону
«Человеческие и экономические аспекты так же важны, как и технические», — говорит Зунино. «Материал должен соответствовать повседневным требованиям. Если для затвердевания требуется, например, неделя, а не день или около того, как в настоящее время, он не найдет признания».
Таким образом, исследовательская группа тесно сотрудничает с крупным производителем цемента. «Если мы добьемся успеха, у промышленности будет под рукой решение для достижения целей по выбросам CO 2 и экономии налогов на выбросы углерода», — говорит он. Может ли совершенно новый строительный материал стать решением? Едва ли. «На улицах Нигерии, где люди иногда могут смешивать бетон голыми руками, у ракетостроительного решения не будет шансов».
Zunino мечтает о том, чтобы за одну ночь весь бетон везде был заменен его сверхэкологичным вариантом, и никто не заметил бы разницы. Он говорит, смеясь: «Это будет такая же магическая трансформация, как и сам материал».
