Zielony Beton

Ważną pracą jest ochrona środowiska zbudowanego przed siłami świata przyrody za pomocą zapór i wałów nadmorskich (patrz Ratowanie Holandii ) , podobnie jak ochrona środowiska naturalnego przed światem inżynierii. Ale inżynier XXI wieku powinien również patrzeć na świat przyrody jako na potężnego partnera w projektowaniu i źródło zrównoważonych rozwiązań. Dobrym początkiem jest zbadanie, w jaki sposób naturalne materiały są konstruowane w nanoskali i czerpanie z nich inspiracji podczas projektowania własnych materiałów. Weźmy na przykład wybrany przez inżyniera budownictwa materiał budowlany: beton, najstarszy inżynieryjny materiał budowlany i jeden z najczęściej używanych materiałów na ziemi, ustępujący jedynie wodzie.

Każdego roku produkuje się 1,89 miliarda ton cementu – podstawowego składnika betonu – co wystarczy do wyprodukowania jednego metra sześciennego betonu na każdą żywą osobę. Niestety, cement jest głównym źródłem atmosferycznego dwutlenku węgla – głównie dlatego, że jest wytwarzany przez spalanie paliw kopalnych w celu podgrzania wapienia i proszku glinianego do 1500 °C, co zmienia jego strukturę molekularną. Kiedy proszek cementowy jest później mieszany z wodą i żwirem, zainwestowana energia jest uwalniana do wiązań chemicznych, które tworzą hydraty krzemianu wapnia – klej, który wiąże żwir, tworząc beton. Szacuje się, że produkcja cementu odpowiada za 7-8 procent wszystkich generowanych przez człowieka emisji dwutlenku węgla.

Ta historia była częścią naszego wydania z lipca 2007 r.

• Zobacz resztę numeru
• Subskrybuj

Jeśli zdołamy zaprojektować nowatorski cement, którego produkcja wytwarza tylko o połowę mniej dwutlenku węgla, osiągniemy znaczną redukcję całkowitej emisji dwutlenku węgla. A ludzkie kości mogą nam pokazać, jak to zrobić.

Siła cementu wynika w dużej mierze ze sposobu, w jaki krzemian wapnia uwadnia się samoorganizując się w cząstki, które upakowują się razem z najwyższą możliwą gęstością dla obiektów kulistych. Kość ludzka – a dokładniej minerały apatytu w kościach – osiągają bardzo podobną gęstość upakowania w nanoskali, a mimo to są wytwarzane w temperaturze ciała bez znaczącego uwalniania dwutlenku węgla. W nanoskali kość ma wiele wspólnego z betonem: składa się głównie z wapnia; jego siła wykazuje znaczny składnik tarcia; a białka kolagenowe pomagają go wzmocnić, podobnie jak stalowe pręty wzmacniają beton.

Oczywiście w przypadku kości nawilżenie i utwardzenie minerałów apatytu zajmuje około miesiąca, więcej czasu niż możemy sobie pozwolić na budowach. Ale jeśli uda nam się znaleźć sposób na naśladowanie tego procesu i przyspieszenie go, moglibyśmy go odtworzyć, aby stworzyć nowy materiał budowlany.

To tylko jeden przykład badań czerpiących z nieograniczonych projektów oferowanych przez świat przyrody – i wydobywających z nich podstawowe zasady inżynierii.

Franz-Josef Ulm, ekspert ds. materiałów, jest profesorem na Wydziale Inżynierii Lądowej i Środowiska MIT.

ukryć