Lấy cảm hứng từ cách san hô xây dựng các rạn san hô, Constantz đã phát triển một cách mới để chế tạo xi măng loại bỏ carbon dioxide bẫy nhiệt từ bầu khí quyển Trái đất.
Chuyên gia về đa sinh học Brent Constantz của Đại học Stanford đã được truyền cảm hứng để tạo ra một loại xi măng mới cho các tòa nhà bằng cách san hô xây dựng các rạn san hô. Quá trình sản xuất xi măng này thực sự loại bỏ carbon dioxide - một loại khí nhà kính, được cho là gây ra sự nóng lên toàn cầu - từ không khí. Công ty Constantz thành lập, được gọi là Calera, có một nhà máy trình diễn trên California California Monter Monter Bay. Việc lắp đặt lấy khí CO2 thải từ một nhà máy điện địa phương và hòa tan vào nước biển để tạo thành cacbonat, hòa trộn với canxi trong nước biển và tạo ra chất rắn. Nó cách mà san hô hình thành bộ xương của chúng và cách Constantz tạo ra xi măng. Cuộc phỏng vấn này là một phần của loạt EarthSky đặc biệt, Biomimicry: Nature of Innovation, được sản xuất với sự hợp tác của Fast Company và được tài trợ bởi Dow. Constantz đã nói chuyện với EarthSky, ông Jorge Salazar.
Tôi hiểu rằng phương pháp sản xuất xi măng của bạn, được mô phỏng theo cách san hô xây dựng các rạn san hô, là một ví dụ về cái gọi là sinh khối của Liêu. Bạn có thể giải thích về sinh học là gì không?
Biomimicry thực sự là nghiên cứu về sự tiến hóa. Và nó đã nghiên cứu về chức năng của cấu trúc sinh học. Trong lịch sử, các nhà cổ sinh vật học chỉ nghiên cứu hình thái cấu trúc của hóa thạch, bởi vì các nhà cổ sinh vật học chỉ có hình dạng của hóa thạch để xem xét. Khi chúng tôi nghiên cứu về sinh học, chúng tôi đã nghiên cứu cách các cấu trúc tiến hóa thích nghi với môi trường của chúng, cách chúng hoạt động. Và họ là kết quả của sự tiến hóa.
Vì vậy, ví dụ, chúng ta nhìn vào một sinh vật giống như san hô xây dựng các rạn san hô. Xây dựng các rạn san hô, san hô đã phát triển một khả năng đáng kinh ngạc để vôi hóa. Họ là những nhà khai thác khoáng sản nhất trên hành tinh. Chúng tạo thành các cấu trúc tuyệt vời như Great Barrier Reef. Khi làm như vậy, họ có thể tạo ra nhiều khoáng chất hơn bất kỳ sinh vật nào khác mà chúng tôi từng thấy. Họ thích nghi cấu trúc chuyên ngành.
Trong sinh học, những gì san hô làm, chúng tôi thực sự cố gắng bắt chước, trong một số trường hợp, làm thế nào chúng có thể khoáng hóa rất nhanh, rất phổ biến, để tạo ra các cấu trúc sinh học lớn nhất trên hành tinh, như Great Barrier Reef.
Cuộc sống san hô. Tín dụng hình ảnh: Toby Hudson
Điều gì cách đơn giản nhất bạn có thể giải thích quá trình lấy CO2 và làm bê tông từ nó?
Có một sự tương tác tự nhiên giữa CO2, đó là khí và nước. Chúng đi vào trạng thái cân bằng với nhau và CO2 được hòa tan trong nước. Nước càng lạnh, càng nhiều CO2 hòa tan vào nó. Điều này tạo thành một phân tử khác, CO3, mà chúng ta gọi là carbonate. Nó có nguồn gốc cacbonat trong nước có ga. Nồng độ CO2 càng cao, bạn càng tạo thành nhiều cacbonat. Khi chúng ta tương tác nước với một thứ gì đó có nồng độ CO2 rất cao, như khí thải của nhà máy điện, chúng ta sẽ nhận được nhiều CO2, hòa tan nhiều hơn trong nước để tạo thành cacbonat.
Đó là những gì Calera làm. Bên kia đường tại Moss Landing, có một bộ hấp thụ cao 110 feet - nó chỉ là một chiếc xe đẩy thẳng đứng, đang phun nước biển qua cột lớn, thẳng đứng này. Dưới chân cột xuất hiện khí thải từ nhà máy điện này. Nó đi lên từ gốc cột, và nó đi lên và đi lên trên đỉnh. Trên đường ra, với nước biển phun qua, phản ứng tương tự cũng xảy ra. CO2 đi vào CO3 khi nó hòa tan trong nước.
Nước biển có canxi. Khi canxi nhìn thấy cacbonat, bạn tạo thành canxi cacbonat, chất rắn. Đó là những gì đá vôi là. Đó là cách mà san hô hình thành vỏ của chúng. Vì vậy, mà quá trình cơ bản. Các chất rắn hình thành - trông giống như sữa - rơi xuống đáy và được tách ra. Họ đã sấy khô bằng cách sử dụng nhiệt thải từ khí thải nóng. Có một cách để bẫy nhiệt của khí lò nóng - nó gọi là bộ trao đổi nhiệt - vì vậy, không có đốt nhiên liệu hóa thạch để làm khô nó. Điều đó tạo ra một loại bột trong máy sấy phun, gần giống với máy làm sữa bột. Và đó là xi măng. Xi măng có thể được sử dụng để làm cốt liệu, đá tổng hợp như đá vôi tổng hợp, hoặc nó có thể được giữ khô như một loại xi măng và được sử dụng trong công thức bê tông.
Có gì mới về quy trình này?
Kết tủa canxi cacbonat, đó là những gì tôi vừa mô tả, thực sự là một trong những quá trình hóa học phổ biến nhất hiện nay. Nó đã tồn tại hơn một trăm năm. Canxi cacbonat được sử dụng làm chất độn trong nhựa và các sản phẩm thực phẩm. Nó rất phổ biến. Điều khác biệt về những gì chúng tôi làm để tạo ra bê tông và xi măng là khi chúng ta nói về chất rắn là khoáng chất kết tinh, có những dạng khác nhau của các khoáng chất này. Ví dụ, carbon trong kim cương có cùng thành phần hóa học. Họ chỉ là carbon. Vì vậy than chì và kim cương là như nhau. Nhưng chúng trông rất khác nhau. Điều đó bởi vì họ có cấu trúc tinh thể khác nhau. Và đó là những gì chúng tôi làm ở đây, là chúng tôi đang hình thành các cấu trúc tinh thể khác nhau - trong trường hợp này là canxi cacbonat - có tính chất rất khác nhau. Một số trong số chúng có các đặc tính làm cho chúng rất tốt cho xi măng, vì vậy khi bạn thêm nước vào chúng, chúng sẽ kết tinh lại thành một thứ giống như đá vôi tổng hợp.
Đường qua rừng già. Tín dụng hình ảnh: Chris Willis
Điều gì trong tự nhiên truyền cảm hứng cho bạn nghĩ về cách làm bê tông?
Nếu bạn nhìn vào lịch sử của người đàn ông, điều chính yếu mà chúng tôi đã để lại là môi trường được xây dựng. Nếu chúng ta nhìn vào các nền văn minh 5.000 năm trước, chúng ta thấy ngày nay, các kim tự tháp chẳng hạn. Khi chúng ta nhìn vào vài thế kỷ qua ở châu Âu, chúng ta thấy những tòa nhà, cây cầu, đập và đường lớn.
Khi bạn đi về phía trước một trăm năm kể từ bây giờ, bạn sẽ thấy rằng, nhìn lại, đã có sự chuyển đổi này từ việc sử dụng đá và vữa cổ có nguồn gốc từ đá vôi, đến bê tông. Trên thực tế, bê tông là vật liệu xây dựng được sử dụng nhiều nhất. Điều chính mà thế hệ của chúng ta sẽ để lại cho thế hệ mới là khối lượng bê tông khổng lồ.
Vì vậy, bê tông đại diện cho hồ chứa đáng kinh ngạc này để lưu trữ một cái gì đó. Thay vì khai thác đá vôi và thứ gọi là canxit để sản xuất xi măng Portland và khai thác đá vôi để tạo ra cốt liệu để trộn với xi măng Portland để làm bê tông, quy trình của chúng tôi cung cấp hồ chứa này để tạo thành một cấu trúc lớn như Great Barrier Reef, lớn nhất cấu trúc sinh học trên hành tinh, không giống như cấu trúc nhân tạo. Cảm hứng cũng nhiều như bất cứ thứ gì chỉ trong khối lượng vận chuyển vật chất tuyệt vời mà chúng tôi đang nói đến.
Trên thực tế, từ quan điểm đại chúng, lượng bê tông được tạo ra ngày nay là vận tải hàng loạt lớn nhất trong lịch sử hành tinh. Nếu bạn nhìn vào tất cả các cốt liệu được di chuyển và tất cả xi măng được di chuyển cho bê tông, nhựa đường và nền đường, và chúng ta nhìn vào sự hình thành của một cấu trúc như Rạn san hô Barrier, nó đại diện cho hàng tỷ tấn CO2 đã được sử dụng từ bầu khí quyển qua đại dương. Thông qua quá trình đa hóa sinh học, nó đã được tích hợp vào các cấu trúc khoáng sản này để cô lập carbon dioxide mãi mãi.
Vì vậy, theo nghĩa rộng hơn, từ sự cân bằng khối lượng quy mô lớn, di chuyển lượng CO2 khổng lồ này, vượt xa mọi nỗ lực của chúng ta ngày nay để giảm thiểu CO2 bằng gió, năng lượng mặt trời, thủy triều, khí thải thấp, các loại truyền tải mới và mọi thứ và đưa CO2 vào môi trường xây dựng và lưu trữ nó ở đó như một hoạt động có lợi nhuận, thực sự là những gì chúng ta thấy trong thế giới tự nhiên.
Làm thế nào để bạn thấy tình hình ngày nay về cách mọi thứ được tạo ra trong các môi trường được xây dựng trên môi trường?
Có một số tiền khá lớn đặt sau cách tiếp cận thế hệ đầu tiên, nhảy thẳng vào phương pháp công nghiệp, sử dụng các phương pháp kỹ thuật hóa học truyền thống để đạt được mục đích cuối cùng, thay vì bắt chước các quy trình được sử dụng trong tự nhiên.
Hy vọng của tôi sẽ thấy rằng chúng ta nắm lấy con đường sinh học hơn cho các quá trình này, những thứ phức tạp hơn và phức tạp hơn và làm theo những gì tự nhiên thực sự làm. Tôi tin tưởng rất chân thành rằng việc sử dụng carbon có lợi, tái sử dụng carbon này một cách hiệu quả, bền vững về kinh tế thực sự là một trong những giải pháp duy nhất mà chúng ta có.
Bởi vì, hiệu quả năng lượng là nơi chúng ta sẽ nhận được nhiều lợi ích. Chúng tôi vẫn sẽ thấy sự gia tăng mạnh mẽ của carbon dioxide trong khí quyển bởi vì tất cả các nguồn carbon dioxide mới đang phát triển trên khắp thế giới với các nhà máy nhiệt điện than mới và các nhà máy xi măng mới. Ngay cả khi chúng ta cố gắng và thúc đẩy năng lượng tái tạo hết sức có thể, chúng ta vẫn sẽ chủ yếu thấy năng lượng điện của mình đến từ việc sản xuất than trên khắp thế giới và mức CO2 sẽ tiếp tục tăng. Chúng tôi hoàn toàn phải đưa ra một chương trình nơi chúng tôi có thể thu được tất cả lượng CO2 đó và chúng tôi có thể làm gì đó với nó.
Chúng ta phải tạo ra một mô hình trong đó các nước đang phát triển và các nước phát triển có thể làm việc trên cùng các công nghệ và thực sự kiếm được lợi nhuận từ việc thải CO2 ra khỏi nhà máy than và sử dụng nó cho các sản phẩm đã có trong nền kinh tế của họ, như bê tông, nền đường, chất độn cho nhựa đường và những thứ khác có thể được thực hiện với các vật liệu này. Tôi không tin rằng có một hồ chứa khác có sẵn nơi chúng ta có thể đặt lượng carbon dioxide đó. Tuy nhiên, chúng ta có thị trường bê tông đẹp hoàn hảo để giới thiệu công nghệ này ngày nay và giải quyết vấn đề carbon công nghiệp bê tông đồng thời, mang lại nền kinh tế mới, thịnh vượng cho các quốc gia chọn theo quy trình này.
Bạn muốn thấy thay đổi gì trong cách chúng tôi tạo môi trường được xây dựng?
Tôi nghĩ rằng chúng ta cần phải thực sự quay trở lại vấn đề cơ bản khi chúng ta nghĩ về môi trường được xây dựng. Ví dụ, khi chúng ta nhìn vào các cấu trúc được xây dựng trước khi chúng ta có thép, chúng ta biết rằng chúng ta đã tìm ra các nguyên tắc khác nhau. Các kim tự tháp weren chỉ xây dựng theo cách của họ vì họ thích hình dạng. Nó vì họ không sử dụng thép. Để xây dựng các cấu trúc bằng đá mà không cần thép, bạn cần phải suy nghĩ về toàn bộ cấu trúc khác nhau.
Một cách khác chúng ta cần suy nghĩ lại về môi trường được xây dựng là, ví dụ, đường giao thông. Hầu hết bê tông được sử dụng trong các con đường ngày nay. Và tại Hoa Kỳ, chúng tôi chỉ xây dựng những con đường của mình khi họ xây dựng bằng bê tông dày nhất một vài feet. Và những con đường điển hình ở châu Âu dày vài feet. Và chúng tồn tại lâu hơn nhiều. Và lý do cho điều đó có liên quan đến toàn bộ suy nghĩ này về kinh tế của việc xây dựng đường. Nhưng hãy tưởng tượng nếu con đường đó bây giờ được đặt để cô lập carbon dioxide. Con đường càng dày thì càng kéo dài. Càng nhiều carbon dioxide, chúng tôi càng cô lập.
Vì vậy, ngày nay, các kiến trúc sư nghĩ, làm thế nào tôi có thể giảm thiểu lượng bê tông tôi sử dụng trong vật liệu của mình? Bởi vì chúng tôi quan tâm đến việc giảm thiểu chân carbon càng nhiều càng tốt. Thay vào đó, chúng ta có thể thấy môi trường được xây dựng là nơi để cô lập carbon dioxide.