Πηγή Εικόνας: ΑΠΕ-ΜΠΕΤο πιο κοινό δομικό υλικό στον κόσμο έχει ένα μυστικό. Το τσιμέντο, η «κόλλα» που συγκρατεί το σκυρόδεμα, «αναπνέει» σταδιακά και αποθηκεύει εκατομμύρια τόνους διοξειδίου του άνθρακα (CO2) από τον αέρα κατά τη διάρκεια της ζωής των κτιρίων και των υποδομών.
Νέα έρευνα του MIT Concrete Sustainability Hub ποσοτικοποιεί για πρώτη φορά αυτή τη διαδικασία, την απορρόφηση άνθρακα, σε εθνική κλίμακα. Χρησιμοποιώντας μια καινοτόμο προσέγγιση, η ερευνητική ομάδα διαπίστωσε ότι το τσιμέντο στα κτίρια και τις υποδομές των ΗΠΑ αποθηκεύει πάνω από 6,5 εκατομμύρια μετρικούς τόνους CO2 ετησίως. Αυτό αντιστοιχεί σε περίπου 13% των εκπομπών της διαδικασίας — το CO2 που απελευθερώνεται από την υποκείμενη χημική αντίδραση — στην παραγωγή τσιμέντου στις ΗΠΑ. Στο Μεξικό, ο ίδιος κτιριακός αποθέματος αποθηκεύει περίπου 5 εκατομμύρια τόνους ετησίως.
Ιδιαίτερα σημαντικά είναι τα συμπεράσματα της έρευνας για τους τρόπους που συμβάλλουν στη μεγαλύτερη απορρόφηση CO2 από το τσιμέντο, όπως είναι η αύξηση της επιφάνειας που εκτίθεται στον αέρα, κάτι που μπορεί να επιτευχθεί με την αποφυγή βαφής ή πλακόστρωσης ή με την επιλογή σχεδίων όπως πλάκες με υψηλότερη αναλογία επιφάνειας προς όγκο. Εξάλλου, η προσέγγιση που ανέπτυξαν οι ερευνητές του MIT θα μπορούσε να επεκταθεί σε άλλες χώρες συνδυάζοντας τις παγκόσμιες βάσεις δεδομένων κτιριακού αποθέματος με τα εθνικά στατιστικά στοιχεία παραγωγής τσιμέντου. Θα μπορούσε επίσης να συμβάλει στον σχεδιασμό δομών που μεγιστοποιούν με ασφάλεια την απορρόφηση.
Πώς έγινε η μέτρηση
Οι επιστήμονες γνωρίζουν εδώ και δεκαετίες πώς λειτουργεί η απορρόφηση άνθρακα. Το CO2 εισέρχεται στο σκυρόδεμα ή το κονίαμα — το μείγμα που κολλάει τα τούβλα και τις πέτρες — μέσω μικροσκοπικών πόρων, αντιδρά με τα πλούσια σε ασβέστιο προϊόντα του τσιμέντου και κλειδώνεται σε ένα σταθερό ορυκτό που ονομάζεται ανθρακικό ασβέστιο ή ασβεστόλιθος.
Η χημεία είναι γνωστή, αλλά ο υπολογισμός της κλίμακας αυτού του φαινομένου δεν είναι. Ένας τσιμεντένιος αυτοκινητόδρομος στο Ντάλας απομονώνει το CO2 με διαφορετικό τρόπο από τα διαμερίσματα της Πόλης του Μεξικού που είναι κατασκευασμένα από τσιμεντένιες μονάδες τοιχοποιίας (CMU), που ονομάζονται επίσης τσιμεντόλιθοι. Και μια πλάκα θεμελίωσης θαμμένη κάτω από το χιόνι στο Φέρμπανκς της Αλάσκας «αναπνέει» CO2 με εντελώς διαφορετικό ρυθμό.
Όπως εξηγεί, σε σχετική ανακοίνωση, ο Hessam AzariJafari, κύριος συγγραφέας και ερευνητής στο Τμήμα Πολιτικών Μηχανικών και Μηχανικών Περιβάλλοντος του MIT, «η απορρόφηση άνθρακα είναι πολύ ευαίσθητη στο περιβάλλον. Τρεις βασικοί παράγοντες την επηρεάζουν: ο τύπος του τσιμέντου που χρησιμοποιείται, το προϊόν που κατασκευάζουμε με αυτό — σκυρόδεμα, CMU ή κονίαμα — η γεωμετρία της κατασκευής και το κλίμα και οι συνθήκες στις οποίες εκτίθεται. Ακόμη και μέσα στην ίδια κατασκευή, η απορρόφηση μπορεί να ποικίλλει έως και πέντε φορές μεταξύ διαφορετικών στοιχείων».
Δεδομένου ότι δεν υπάρχουν δύο κατασκευές που να αποθηκεύουν CO2 με τον ίδιο τρόπο, η εκτίμηση της απορρόφησης σε εθνικό επίπεδο θα απαιτούσε κανονικά την προσομοίωση μιας σειράς στοιχείων με βάση το τσιμέντο: πλάκες, τοίχοι, δοκοί, κολώνες, πεζοδρόμια και άλλα. Επιπλέον, καθένα από αυτά έχει τη δική του ηλικία, γεωμετρία, σύνθεση και συνθήκες έκθεσης που πρέπει να ληφθούν υπόψη. Καθώς αυτή η προσέγγιση θα ήταν σαν να προσπαθούσε να μετρήσει κάθε κόκκο άμμου σε μια παραλία, η ομάδα επέλεξε μια διαφορετική οδό. Ανέπτυξε εκατοντάδες αρχέτυπα, τυπικά σχέδια που θα μπορούσαν να αντικαταστήσουν διαφορετικά κτίρια και τμήματα υποδομής. Είναι σαν να μετράει την παραλία χαρτογραφώντας το σχήμα, το βάθος και την ακτογραμμή της για να εκτιμήσει πόση άμμος βρίσκεται συνήθως σε ένα δεδομένο σημείο.
Με αυτά τα αρχέτυπα στη διάθεσή της, η ομάδα μοντελοποίησε τον τρόπο με τον οποίο το καθένα απομονώνει το CO2 σε διαφορετικά περιβάλλοντα και πόσο κοινό είναι το καθένα σε κάθε πολιτεία των Ηνωμένων Πολιτειών και του Μεξικού. Με αυτόν τον τρόπο, μπόρεσαν να εκτιμήσουν όχι μόνο πόσο CO2 απομονώνουν οι κατασκευές, αλλά και γιατί διαφέρουν αυτά τα νούμερα.
Δύο παράγοντες ξεχώρισαν. Ο πρώτος ήταν η «τάση κατασκευής», ή πώς είχε αλλάξει ο αριθμός των νέων κατασκευών τα τελευταία πέντε χρόνια. Επειδή αντανακλά το πόσο γρήγορα προστίθενται προϊόντα τσιμέντου στο απόθεμα κτιρίων, διαμορφώνει το πόσο τσιμέντο καταναλώνει κάθε Πολιτεία. Ο δεύτερος ήταν η αναλογία κονιάματος προς σκυρόδεμα, καθώς τα πορώδη κονιάματα αποθηκεύουν CO2 κατά μια τάξη μεγέθους γρηγορότερα από το πυκνότερο σκυρόδεμα.
Σε Πολιτείες όπου η χρήση κονιάματος ήταν υψηλότερη, το ποσοστό απορρόφησης CO2 σε σχέση με τις εκπομπές της διαδικασίας ήταν αισθητά μεγαλύτερο. «Παρατηρήσαμε κάτι μοναδικό στο Μεξικό: παρά το γεγονός ότι χρησιμοποιεί το μισό τσιμέντο από τις ΗΠΑ, η χώρα έχει τα τρία τέταρτα της απορρόφησης», σημειώνει ο AzariJafari. «Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι το Μεξικό χρησιμοποιεί περισσότερο κονιάματα και σκυρόδεμα χαμηλότερης αντοχής, καθώς και τσιμέντο σε σάκους που αναμιγνύεται επί τόπου. Αυτές οι πρακτικές είναι ο λόγος για τον οποίο η απορρόφησή τους δεσμεύει περίπου το ένα τέταρτο των εκπομπών από την παραγωγή τσιμέντου».
Ενώ πρέπει να λαμβάνεται μέριμνα για τα δομικά στοιχεία που χρησιμοποιούν χαλύβδινη ενίσχυση, καθώς η απορρόφηση μπορεί να επιταχύνει τη διάβρωση, είναι δυνατό να ενισχυθεί η απορρόφηση πολλών στοιχείων χωρίς αρνητικές επιπτώσεις.
Ο Randolph Kirchain, διευθυντής του MIT Concrete Sustainability Hub, κύριος ερευνητής στο MIT Materials Research Laboratory και κύριος συγγραφέας της μελέτης, εξηγεί: «Για παράδειγμα, η αύξηση της επιφάνειας που εκτίθεται στον αέρα επιταχύνει την απορρόφηση και μπορεί να επιτευχθεί με την αποφυγή βαφής ή πλακόστρωσης ή με την επιλογή σχεδίων όπως πλάκες με υψηλότερη αναλογία επιφάνειας προς όγκο. Επιπλέον, η αποφυγή περιττά ισχυρότερων, λιγότερο πορωδών μιγμάτων σκυροδέματος από ό,τι απαιτείται θα επιταχύνει την απορρόφηση, ενώ θα χρησιμοποιείται λιγότερο τσιμέντο».
«Υπάρχει μια πραγματική ευκαιρία να βελτιωθεί ο τρόπος με τον οποίο η απορρόφηση άνθρακα από το τσιμέντο αντιπροσωπεύεται στα εθνικά αποθέματα», σχολιάζει ο AzariJafari. «Τα κτίρια γύρω μας και το σκυρόδεμα κάτω από τα πόδια μας «εισπνέουν» συνεχώς εκατομμύρια τόνους CO2. Παρ’ όλα αυτά, ορισμένες από τις απλουστευμένες τιμές σε ευρέως χρησιμοποιούμενα πλαίσια αναφοράς μπορούν να οδηγήσουν σε υψηλότερες εκτιμήσεις από αυτές που παρατηρούμε εμπειρικά. Η ενσωμάτωση ενημερωμένων επιστημονικών δεδομένων σε διεθνή αποθέματα και κατευθυντήριες γραμμές, όπως η Διακυβερνητική Επιτροπή για την Κλιματική Αλλαγή (IPCC), θα βοηθούσε να διασφαλιστεί ότι οι αναφερόμενοι αριθμοί αντικατοπτρίζουν τις υλικές και χρονικές πραγματικότητες του τομέα».
Προσφέροντας την πρώτη αυστηρή, από κάτω προς τα πάνω εκτίμηση της απορρόφησης άνθρακα σε εθνική κλίμακα, το έργο της ομάδας παρέχει μια πιο αντιπροσωπευτική εικόνα των περιβαλλοντικών επιπτώσεων του τσιμέντου. Καθώς εργαζόμαστε για την απαλλαγή του δομημένου περιβάλλοντος από τον άνθρακα, η κατανόηση του τι κάνουν ήδη οι δομές μας στο παρασκήνιο μπορεί να είναι εξίσου σημαντική με τις καινοτομίες που επιδιώκουμε στο μέλλον. Τα ευρήματα δημοσιεύθηκαν στις 15 Δεκεμβρίου στα Πρακτικά της Εθνικής Ακαδημίας Επιστημών. Μαζί με τους AzariJafari και Kirchain στην εργασία συμμετέχουν η ερευνήτρια του MIT Elizabeth Moore του Τμήματος Επιστήμης και Μηχανικής Υλικών και του MIT Climate Project και οι πρώην μεταδιδακτορικές Ipek Bensu Manav SM ’21, PhD ’24 και Motahareh Rahimi, μαζί με τους Bruno Huet και Christophe Levy από το Κέντρο Καινοτομίας Holcim στη Γαλλία.
