"Tead, tsementi on igal pool, " ütleb Londoni Imperial kolledži keskkonnainsener Nikolaos Vlasopoulos, kes istub eredalt valgustatud kolledži konverentsiruumis kohmakas seitsmekorruselises hoones, mille üle vestluse teema kinni peab. "See on kõik meie ümber."
Sellest loost
[×] SULETUD
Nikolaos Vlasopoulose unistus on välja töötada uus materjal, mille tootmine absorbeeriks erinevalt traditsioonilisest tsemendist süsinikdioksiidi. Kui see õnnestub, aitaks ta vähendada kliimamuutuste olulist tegurit ja nõuaks ehitustehnoloogia julget edasiminekut. (John Ritter) 
Novacemi pilotehas on esimene tsemenditehas Londoni kesklinnas Rooma ajast alates. (Alex Masi) 
Vlasopoulos töötas varem tsemendivabrikus oma onu juures, kes teda nüüd kiusab: “Sa kavatsed minu ettevõtte sulgeda.” (Alex Masi) 
Novacem kavatseb kõigepealt katsetada oma eksperimentaalset tsementi (ülalpool: prooviplokid) sellistes struktuurides nagu doghouse ja siseõue. (Alex Masi) 
Pildigalerii
Eelmisel aastal toodeti maailmas 3, 6 miljardit tonni tsementi - mineraalsegu, mis tahkestub betooni, kui seda lisada veele, liivale ja muudele materjalidele - ning see kogus võib 2050. aastaks suureneda miljard tonni. Ülemaailmselt kasutab ainus aine, mida inimesed rohkem kui betoon on kogumahus vesi.
Vlasopoulose sõnul on tsemendi voorused juba ammu selged: see on odav, valatav ja mõnevõrra seletamatul kombel kõva nagu kivi. Kuid ühte olulist detaili tunnustatakse harva: tsement on määrdunud. Pole määrdunud, kuna see ei võta teie riideid seljast - ehkki see probleem on ehitustöölisi juba sajandeid kannatanud. Peamine koostisosa on lubjakivi, enamasti kaltsiumkarbonaat, kooritud mereelukate jäänused. Tsemendi valmistamise retsept nõuab lubjakivi kuumutamist, selleks on vaja fossiilseid kütuseid. Ja kuumutamisel saadab lubjakivi süsinikdioksiidi gaasi atmosfääri, kus see püüab soojust kinni, aidates kaasa globaalsele soojenemisele. Tsemendi tootmine põhjustab 5 protsenti kogu maailmas toodetud süsinikdioksiidi heitkogustest maailmas; Ameerika Ühendriikides eraldab kasvuhoonegaase vaid fossiilkütuste tarbimine (transpordiks, elektrienergiaks, keemiatootmiseks ja muuks otstarbeks) ning raua- ja terasetööstus. Ja kui õitsevad riigid, näiteks Hiina ja India, kasutavad tõusu ehitamiseks tsementi, on tsemendi määrdumine üleilmastumise üks peamisi varjukülgi.
Kui laiema avalikkuse tähelepanu on tsemendi tohutul panusel õhusaastesse tähelepanuta jäetud, on 31-aastane Vlasopoulos sellest juba mõnda aega teadlik. Ta kasvas üles Kreeka sadamas Patras. Tema isa oli insener ja ema töötas pangas ning Vlasopoulose suveperioodidel kodus Dimokrition Panepistimion Thrakise kolledžis, kus ta õppis keskkonnatehnikat, töötas ta onu juures tsemendivabrikus. See oli varanduslik. Tema ülesandeks oli süsinikdioksiidi heitmete taset mõõtvate seadmete kokkupanek. Nad olid kõrgel; tavaliselt toodab tehas iga tonni tsemendi kohta peaaegu tonni süsinikdioksiidi. Vlasopoulose arvates oli töö huvitav, kuid ta ei näinud oma tsementi tulevikus. See oli igav, see oli vana, see oli räpane.
Seejärel sai üks tema professoritest Imperiali kolledžis, kus ta töötas magistrikraadina inseneriteadustes, rahalist toetust ühe Austraalia ettevõtte valmistatud uut tüüpi tsemendi uurimiseks. Professor Christopher Cheeseman veenis Vlasopoulost projektiga koostööd tegema ja doktorikraadi omandama. "See oli võimalus teha mõnda toredat tööd, " ütles Vlasopoulos oma tavaliselt alahinnatud viisil.
Inimesed on juba ajaloo algusest peale püüdnud paremat tsementi ehitada. Enam kui 2000 aastat tagasi kavandasid roomlased betooni saamiseks segu lubjast, vulkaanilisest tuhast ja kivist tükkidest, mida kasutati sadamate, monumentide ja ehitiste - varasemate linnade - sealhulgas Panteoni ja Colosseumi - liimi valmistamiseks. 1820ndatel leiutas Inglismaal Leedsis Imperiali kolledžist umbes 200 miili kaugusel asuv kivimüür nimega Joseph Aspdin kaasaegse tsemendi. Aspdin soojendas oma köögis peeneks jahvatatud lubjakivi ja savi segu. Pärast vee lisamist segu tahkis. Voilà - sündis tööstusrevolutsiooni alustala . Kuna materjal nägi välja nagu Portlandi saare populaarne ehituskivi, nimetas Aspdin oma leiutist Portlandtsemendiks. 1824. aastal välja antud patent oli mõeldud tehiskivi valmistamise viisi parendamiseks.
Austraalia arendajad olid proovinud uut retsepti, segades portlandtsemendi magneesiumoksiidiga. Nad lootsid vähendada süsiniku emissiooni, kuna magneesiumoksiid võib asendada osa lubjakivist ja magneesiumoksiidi ei pea kuumutama nii kõrgel temperatuuril. Lubjakivi tuleb kuumutada 2600 kraadini Fahrenheiti järgi, kuid tsemendi jaoks võib magneesiumoksiidi valmistada 1300 kraadi juures - sellise temperatuuri võib saavutada biomassi ja muude vähem süsinikku eraldavate kütustega, vähendades fossiilkütuste tarbimist.
Kuid Vlasopoulos avastas kiiresti, et segu ei vähendanud üldist süsinikdioksiidi emissiooni. Mõnes katses heitkogused peaaegu kahekordistusid, kuna magneesiumoksiid toodetakse ise magneesiumkarbonaatide kuumutamisel, mis eraldab süsinikdioksiidi.
"Ma mäletan, et tundsin suurt pettumust, sest kui näete, et projekt, mille kallal töötate, pole tegelikult see, mis te arvasite, et see tuleb, kaotate motivatsiooni, " sõnas ta. "Kuid meie arvates oli see väga väärt projekt, väärt idee, nii et püüdsime leida teise viisi probleemi lahendamiseks."
Ajal, mil Vlasopoulos selle küsimuse üles kasutas, otsisid suured tsemendiettevõtted kogu maailmas 2004. aastal uusi võimalusi Portlandtsemendi keskkonnasõbralikumaks muutmiseks. Tootjad lisasid terase kõrvalsaadusi, näiteks räbu; söejäägid, näiteks lendtuhk; ja muud materjalid, näiteks magneesiumoksiid, tsemendisegu mahu suurendamiseks, vajades vähem portlandtsementi. Nad katsetasid mineraalide lisanditega, et vähendada materjalide ettevalmistamiseks vajalikku temperatuuri.
Kuid seda on raske muuta, mille keemiat ei mõisteta hästi. "Me ei ole kunagi teadnud täpset keemiat, kuidas see kraam kõvaks läheb, " ütles tsemendi keemia ekspert ja MITi betooni jätkusuutlikkuse keskuse juht Hamlin Jennings, kes on üks mitmest akadeemilisest algatusest nn rohelise tsemendi sepistamiseks. "Ma ei usu, et tänapäeval kasutatakse maailmas ühtegi ehitusmaterjali, mis oleks halvemini mõistetav kui Portlandtsement."
Kui tsemendiettevõtted originaali kallal tegid, võttis Vlasopoulos veel ühe näpunäite. "Saate Portlandtsemendiga teha ainult nii palju, et see paremaks muutuks, " ütles ta. "See on, mis see on. See on materjal, millega alustad. Pidime välja mõtlema midagi muud. ”Vlasopoulosele meeldis idee kasutada tsemendi moodustamiseks lubjakivi asendamiseks magneesiumoksiidi, kuid selle kõvaks muutmiseks oli vaja veel ühte materjali. Ainult magneesiumoksiidi segamine veega ei teeks seda - segu muutub lodevaks. Ja ta pidi leidma magneesiumoksiidi allika, mis ei eraldaks nii palju süsihappegaasi. Materjaliklass, kuhu ta asus, olid magneesiumsilikaadid, talgist, serpentiinist, oliviinist või muudest mineraalidest saadud süsinikuvabad ühendid. Nende mineraalide varud maailmas on umbes 10 000 miljardit tonni, mis on oluline tegur, sest kui jahu otsa saab, ei saa enam kooke küpsetada.
Vlasopoulos ei taha täpselt selgitada, kuidas tema eksperimentaalne ühend töötab. Tema salakaste on võib-olla väga tulus saladus. On esitatud mitu patenti. Ta paljastab seda palju: paar aastat tagasi hakkas ta segama magneesiumoksiidi teiste enda loodud keemiliste ühenditega ja veega. Segu tahenes väikeseks palliks. Ta tõi selle Cheesemanni kontorisse. "Võite tunda, kuidas kuumus tuleb sellest väikesest kuulist, " ütles Cheeseman. “Midagi juhtus selgelt.” Keemilised reaktsioonid tulistasid; energiat vabastati. Nad ei olnud liiga elevil. "Ma mõtlen, et see on tsement, millest me siin räägime - see pole just kõige seksikam kraam maailmas, " ütles Cheeseman. "Ma ei jooksnud saalidest üles ega alla kärusid tehes, aga see oli huvitav."
Kemikaalid, mida Vlasopoulos segavad magneesiumoksiidi ja veega tsemendi kõvenemiseks, on magneesiumkarbonaadid, mida ta valmistab süsinikdioksiidi lisamisega teistele toorainetele. See tähendab, et tsement ei ole mõnes olukorras lihtsalt süsiniku suhtes neutraalne - see on süsiniku negatiivne. Iga toodetud Vlasopoulose tsemendi tonni kohta võiks imenduda üks kümnendik tonni süsinikdioksiidi.
Lõpuks asutas Vlasopoulos Cheesemani abiga uue tsemendi väljatöötamiseks ettevõtte Novacem. Enam kui tosina töötajaga ettevõte ja partnerlussuhted maailma suurimate tsemendiettevõtetega asub Imperiali kolledžis kõrgtehnoloogiaga alustavate ettevõtete äriinkubaatoris. Kui mõned teised rajatise ettevõtted on alustavad bioteadused, mikrobioloogia laborid on täis geenijärjestuse seadmeid ja katseklaaside kollektsioone, siis Novacemi labor on avar taim, mis tekitab pärast tsemendi ämbrit valju müra, tolmu ja kopa. See on esimene tsemenditehas Londoni kesklinnas alates roomlaste päevist.
Kõvasid mütse, kaitseprille, maske ja valgeid mantleid kandvad töötajad kasutavad tsemenditehase miniatuurset versiooni, erinevalt sellest, mida Vlasopoulos suvevaheajal töötas.
Ehkki Novacem täiustab endiselt oma protseduure, võisteldakse veel vähemalt viie ettevõtte ja ülikoolikeskusega, et tulla välja keskkonnasäästlikuma tsemendi osas. "Arvestades kogu päeva süsinikdioksiidi tähelepanu, on paljud ettevõtjad üles tõusnud, " ütles MIT-i esindaja Jennings. “Nad näevad võimaluste külge.” 170 miljardit dollarit aastas tootva tsemendiga investeerimisraha vajub.
California ettevõttel, mille nimi on Calera, on ehk kõige ebaharilikum lähenemisviis: see kasutab elektrijaamast eralduvat süsinikdioksiidi ja segab selle merevee või soolveega, et luua karbonaate, mida kasutatakse tsemendi valmistamiseks. Neid saab lisada portlandtsementi, et osaliselt või täielikult paekivi asendada. Calerat toetab 50 miljoni dollari suurune investeering Vinod Khoslalt, kes on arvutiinsener, kes on võib-olla Silicon Valley kõige lugupeetum ja sügavamat tasku pakkuv roheliste tehnoloogiate investor. "Me teeme tegelikult oma tsemendi CO2-st välja, " ütles ettevõtte asutaja Brent Constantz. “Me võtame süsinikdioksiidi, mis oleks atmosfääri läinud, ja muudaksime selle tsemendiks.” Tehnoloogia on alles väljatöötamisel, koos näidisjaamaga Moss Landingis Californias ja partnerluseks Hiina rühmaga, et ehitada tehase kõrvale söekaevandus Sise-Mongoolias, kus nad plaanivad tsemendi valmistamiseks kasutada süsinikdioksiidi heitmeid.
Austraalia ettevõte Calix valmistab tsementi ülekuumendatud auruga, mis muudab tsemendi osakesi ja muudab need puhtamaks ning keemiliselt reaktiivsemaks. Protsess eraldab ka süsinikdioksiidi, hõlbustades gaasi hõivamist ja atmosfääri eemal hoidmist.
Louisiana tehnikaülikool, nagu Novacem ja Calera, kaotab lubjakivi täielikult; selleks kasutatakse pastat, mida nimetatakse geopolümeeriks, mis on valmistatud lendtuhast, naatriumhüdroksiidist ja kaaliumhüdroksiidist.
"Tolm settib lõpuks ja üks neist ideedest töötab, " ütles Jennings.
Varasemalt oli Novacemi suurim skeptik Suurbritannia suurim eraomanduses olev ehitusettevõte Laing O'Rourke. Dhaeraj Bhardwaj, kes vastutab paljutõotava ülikoolitöö osas vahelehelistamise eest, kuulis Novacemi tootest oma teaduslike ühenduste kaudu. Ta vaatas keemiat, arvas, et kõik on kontrollitud ja viis mõni aasta tagasi idee esimehe poole, kellel oli palju kahtlusi. Ta ütles, et mingil juhul ei võiks tsement olla kaubanduslikuks kasutamiseks piisavalt tugev. See vajas paekivi. Kui Novacemi materjal jõudis 40 megapaskalini - minimaalseks vajalikuks tugevuseks konstruktsiooni stabiilsuse tagamiseks -, võib ta teda huvitada.
Seitse päeva hiljem tabas seda märki väike kruusasse instrumenti pandud Novacemi tsemendi tükk. Kakskümmend kaheksa päeva hiljem tabas see 60 megapaskalit. Seejärel viis Bhardwaj tulemused esimehe juurde, kes ütles: “Teeme selle töö ära.” Laing O'Rourke on nüüd Novacemi peamine partner. Täna läheneb tsement pärast palju kõdimist 80 megapaskalit. Novacemi tsemendiga valmistatud betoon on oma tugevuse poolest võrreldav mõne tavalise betooniga.
Novacemi teiste partnerite hulka kuuluvad Pariisis maailma suurim ehitusmaterjalide tootja Lafarge ja Londonis asuv globaalne kaevandusettevõte Rio Tinto, kes soovib aidata Novacemil magneesiumsilikaate kaevata.
"Tsemenditööstus on praegu hoogsalt arenenud rahaliselt ja teaduslikult olulistel viisidel, " ütles Jennings, viidates kõigile erinevatele eksperimentaalsetele lähenemisviisidele. „Maailm muutub. Kõik, sealhulgas kõik tsemendiettevõtted, peavad olema võimalikult rohelised ja hoolitsema maailma eest natuke paremini. ”
Jennings keeldus ühtegi uut tsementi kinnitamast. "Kui Novacemi teosed, " ütles ta, "on see väga ahvatlev idee."
Bhardwaj on kohusetundlikum. Ta ütles, et käis hiljuti oma insenerimeeskonnas. "Ausalt, ärge olge viisakas, " ütles ta neile. „Pange kõrvale kõik süsiniku kohta käivad küsimused. Kas sa arvad, et see on midagi Portlandtsemendi lähedast? ”Vastus üllatas teda: Nad ütlesid, et see on parem. Miks? See polnud mitte ainult tugev, vaid ka puhas valge. Portlandtsement on kergelt hall. "Sellele tsemendile võiksite värve lisada, " ütles Bhardwaj. "Kujutage ette, et teie majas oleks soovitud värvi tsemendiseina."
Tsement on kena valge varjundiga, nagu Vlasopoulos oma ettevõtte tsemenditehase prototüüpi demonstreerides märkis. Naaberriikide bioteaduste laboritele viidates ütles ta: „Me oleme valjemad“, lisades: „Nad ravivad inimesi seal; me ravitakse midagi muud. ”Tema ees seisval kohmakal masinal on pikad torud, mis põrutavad ja klapivad, alarmid kustuvad ja mikserid, mis kloppivad ja sülitavad Vlasopoulose loomingu ämbrid välja.
Vlasopoulos oli rahulikus tujus, olles just eelmisel päeval oma sõbrannale ettepaneku teinud. (Ta vastas jah.) Toanurgas oli see, mida ta nimetas „meie muuseumiks“. Väikese laua peal olid Novacemi tsemendi varajased tükid - need nägid välja nagu lasteplokid, lihtsalt tolmulisemad. "See polnud nii hea, " ütles ta, hoides käes habras välimust, mis oli lõhestatud. “Nüüd teame, mida teeme.” Tehas saab aastas toota umbes viis tonni tsementi. Ettevõte töötab ka teise rajatise kallal, mis tootaks 200 tonni aastas. Kui kõik hästi läheb, kavatseb ettevõte litsentsida oma retsepti tsemenditootjatele kogu maailmas.
Suurim takistus, millest ettevõte peab veel üle saama, on ajalugu. Portlandtsemendi tööd . Alates 1824. aasta pärastlõunast on Joseph Aspdini köögis alati olnud. "Tsement on olnud väga pikka aega, " ütles Bhardwaj. „Inimesed usaldavad seda. Nad saavad ringi vaadata kõigis hoonetes, mis on säilinud sadu aastaid. Nii et Novacemi jaoks võtab vastupidavuse tõestamine aega. Nad peavad minema aeglaselt. Kui ma pean ehitama silla või hoone Novacemi tsemendi abil, kuidas veenda inimesi selles, et see sobib? See on väljakutse. Keegi ei taha, et sild alla kukub. ”
Küsimusele, kas ta ületaks Novacemi tsemendiga ehitatud silla, vastas Bhardwaj: “Mul poleks sellega mingit probleemi.” Kuid seda silda pole veel ehitatud.
Michael Rosenwald kirjutas Smithsoniani jaoks nanotehnoloogiast ja gripi jahimeestest. John Ritter elab Pennsylvanias.
