Inspiriert von der Art und Weise, wie Korallen Riffe bauen, entwickelte Constantz eine neue Methode zur Herstellung von Zement, mit der das in der Erdatmosphäre gespeicherte Kohlendioxid entfernt wird.
Der Biomineralisierungsexperte Brent Constantz von der Stanford University ließ sich inspirieren, eine neue Art von Zement für Gebäude herzustellen, indem er Korallenriffe baute. Bei der Herstellung dieses Zements wird Kohlendioxid - ein Treibhausgas, von dem angenommen wird, dass es die globale Erwärmung verursacht - aus der Luft entfernt. Das von Constantz gegründete Unternehmen namens Calera verfügt über eine Demonstrationsanlage in der kalifornischen Monterrey Bay. Die Anlage entzieht einem lokalen Kraftwerk CO2-Abgas und löst es in Meerwasser auf, um Karbonat zu bilden, das sich mit Kalzium im Meerwasser mischt und einen Feststoff bildet. So bilden Korallen ihre Skelette und Constantz stellt Zement her. Dieses Interview ist Teil einer speziellen EarthSky-Reihe, Biomimicry: Nature of Innovation, die in Zusammenarbeit mit Fast Company erstellt und von Dow gesponsert wurde. Constantz sprach mit Jorge Salazar von EarthSky.
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Ich verstehe, dass Ihre Methode zur Herstellung von Zement, die sich an der Art und Weise orientiert, wie Korallen Riffe bauen, ein Beispiel für die sogenannte "Biomimikry" ist. Würden Sie erklären, was Biomimikry ist?
Die Biomimikry ist in Wirklichkeit das Studium der Evolution. Und es geht um die Untersuchung der Funktion biologischer Strukturen. In der Vergangenheit haben Paläontologen nur die strukturelle Morphologie von Fossilien untersucht, da Paläontologen nur die Formen von Fossilien zu betrachten hatten. Wenn wir uns mit Biomimik befassen, untersuchen wir, wie evolutionäre Strukturen an ihre Umgebung angepasst sind und wie sie funktionieren. Und sie sind das Ergebnis der Evolution.
So betrachten wir zum Beispiel einen Organismus wie die Korallen, die Riffe bauen. Beim Bau von Riffen haben die Korallen eine unglaubliche Fähigkeit entwickelt, zu verkalken. Sie sind die produktivsten Mineralisierer auf dem Planeten. Sie bilden großartige Strukturen wie das Great Barrier Reef. Auf diese Weise können sie mehr Mineralien produzieren als jeder andere Organismus, den wir jemals gesehen haben. Sie haben spezialisierte Strukturen angepasst.
Bei der Biomimetrie dessen, was Korallen tun, versuchen wir wirklich, in einigen Fällen nachzuahmen, wie sie sich so schnell und so produktiv mineralisieren können, dass sie die größten biologischen Strukturen auf dem Planeten bilden, wie das Great Barrier Reef.
Korallenleben. Bildnachweis: Toby Hudson
Was ist der einfachste Weg, wie Sie erklären können, wie Sie CO2 aufnehmen und daraus Beton machen?
Es gibt eine natürliche Wechselwirkung zwischen CO2, einem Gas, und Wasser. Sie kommen zusammen ins Gleichgewicht und das CO2 wird in Wasser gelöst. Je kälter das Wasser ist, desto mehr CO2 wird darin gelöst. Dies bildet ein weiteres Molekül, CO3, das wir Carbonat nennen. Es ist das Carbonat in kohlensäurehaltigem Wasser. Je höher die CO2-Konzentration, desto mehr Karbonat entsteht. Wenn wir Wasser mit etwas mit sehr hohen CO2-Konzentrationen wie dem Rauchgas eines Kraftwerks in Wechselwirkung bringen, wird viel, viel mehr CO2 in Wasser gelöst, um Carbonat zu bilden.
Genau das macht Calera. Auf der anderen Straßenseite hier in Moss Landing befindet sich ein 30 Meter hoher Absorber - es ist nur eine vertikale Autowäsche, die Meerwasser durch diese große vertikale Säule sprüht. Am Fuß der Kolonne befindet sich das Rauchgas dieses Kraftwerks. Es kommt vom Fuß der Säule und geht nach oben und geht über die Spitze. Auf dem Weg nach draußen tritt die gleiche Reaktion auf, wenn das Meerwasser hindurchsprüht. Das CO2 geht zu CO3 über, wenn es sich im Wasser löst.
Meerwasser enthält Kalzium. Wenn das Kalzium das Karbonat sieht, bildet sich Kalziumkarbonat, der Feststoff. Das ist Kalkstein. So bilden Korallen ihre Muscheln. Das ist also der grundlegende Prozess. Die sich bildenden Feststoffe - es sieht aus wie Milch - fallen auf den Boden und werden getrennt. Sie werden mit der Abwärme des heißen Rauchgases ausgetrocknet. Es gibt eine Möglichkeit, die Wärme des heißen Rauchgases - es wird als Wärmetauscher bezeichnet - einzufangen, sodass kein fossiler Brennstoff zum Austrocknen verbrannt werden muss. So entsteht in einem Sprühtrockner ein Pulver, das einer Maschine zur Herstellung von Milchpulver ähnelt. Und das ist der Zement. Der Zement kann zur Herstellung von synthetischem Gestein wie synthetischem Kalkstein verwendet werden, oder er kann als Zement trocken gehalten und in einer Betonformulierung verwendet werden.
Was ist neu an diesem Prozess?
Die Calciumcarbonatfällung, wie ich sie gerade beschrieben habe, ist heute einer der häufigsten chemischen Prozesse. Es gibt es schon seit über hundert Jahren. Calciumcarbonat wird als Füllstoff in Kunststoffen und Lebensmitteln verwendet. Es ist sehr allgegenwärtig. Was wir bei der Herstellung von Beton und Zement anders machen, ist, dass es bei Feststoffen, die kristalline Mineralien sind, unterschiedliche Formen dieser Mineralien gibt. Beispielsweise hat Kohlenstoff in Diamanten die gleiche chemische Zusammensetzung. Sie sind nur Kohlenstoff. Graphit und Diamant sind also gleich. Aber sie sehen ganz anders aus. Das liegt daran, dass sie unterschiedliche kristallografische Strukturen haben. Und das, was wir hier machen, ist, dass wir unterschiedliche kristallographische Strukturen bilden - im Fall von Calciumcarbonat - die sehr unterschiedliche Eigenschaften haben. Einige von ihnen haben Eigenschaften, die sie sehr gut für Zement eignen. Wenn Sie ihnen Wasser hinzufügen, kristallisieren sie sich in etwas wie synthetischen Kalkstein um.
Straße durch alten Wald. Bildnachweis: Chris Willis
Was in der Natur hat Sie dazu inspiriert, wie Beton hergestellt wird?
Wenn Sie sich die Geschichte des Menschen ansehen, ist die gebaute Umwelt das Wichtigste, was wir zurückgelassen haben. Wenn wir uns Zivilisationen vor 5.000 Jahren ansehen, sehen wir heute zum Beispiel die Pyramiden. Wenn wir uns die letzten Jahrhunderte in Europa ansehen, sehen wir diese massiven Gebäude, Brücken, Dämme und Straßen.
Wenn Sie in hundert Jahren fortfahren, werden Sie feststellen, dass es im Rückblick diesen Übergang von der Verwendung von Steinen und alten Mörteln, die aus Kalkstein hergestellt werden, zu Beton gab. Beton ist heute der am häufigsten verwendete Baustoff. Die Hauptsache, die unsere Generation für neue Generationen hinterlassen wird, sind riesige Mengen an Beton.
Also stellt Beton dieses unglaubliche Reservoir dar, um etwas zu speichern. Anstatt Kalkstein und Calcit abzubauen, um Portlandzement herzustellen, und Kalkstein abzubauen, um das Aggregat mit dem Portlandzement zu mischen, um Beton herzustellen, liefert unser Prozess dieses Reservoir, um eine massive Struktur wie das Great Barrier Reef zu bilden, das das größte ist biologische Struktur auf dem Planeten, nicht wie eine vom Menschen geschaffene Struktur. Die Inspiration war so gut wie alles in der Menge des Materialtransports, von dem wir sprechen.
Tatsächlich ist aus Sicht der Masse die Menge an Beton, die heute hergestellt wird, der größte Massentransport in der Geschichte des Planeten. Betrachtet man das gesamte Aggregat, das bewegt wird, und den gesamten Zement, der für Beton, Asphalt und Straßensockel bewegt wird, und wir betrachten die Bildung einer Struktur wie das Barrier Reef, so entspricht dies Milliarden Tonnen CO2, die verbraucht wurden von der Atmosphäre durch den Ozean. Durch die Biomineralisierung wird es in diese Mineralstrukturen eingebaut, die das Kohlendioxid für immer binden.
Im weiteren Sinne, ausgehend von einer großen Massenbilanz, bewegen sich diese enormen Mengen an CO2, die unsere heutigen Bemühungen übertreffen, CO2 durch Wind-, Sonnen-, Gezeiten-, emissionsarme Autos, neue Getriebetypen und alles zu verringern und das CO2 in die gebaute Umwelt zu bringen und dort als gewinnbringende Aktivität zu speichern, ist wirklich das, was wir in der natürlichen Welt sehen.
Wie sehen Sie die heutige Situation, wie Dinge in der „gebauten Umwelt“ gemacht werden?
Es wurde eine ganze Menge Geld für einen Ansatz der ersten Generation aufgewendet, der direkt auf die industrielle Methode abzielt, um traditionelle chemisch-technische Ansätze zu verwenden, um das Ziel zu erreichen, anstatt die in der Natur verwendeten Prozesse nachzuahmen.
Ich hoffe zu sehen, dass wir den biomimetischeren Weg zu diesen Prozessen einschlagen, die komplexer und komplizierter sind und dem folgen, was die Natur tatsächlich tut. Ich bin der festen Überzeugung, dass die vorteilhafte Nutzung von Kohlenstoff durch eine produktive und wirtschaftlich nachhaltige Wiederverwendung dieses Kohlenstoffs eine der einzigen Lösungen ist, die wir haben.
Denn Energieeffizienz bringt uns viele Vorteile. Wir werden immer noch einen enormen Anstieg des Kohlendioxids in der Atmosphäre erleben, da weltweit neue punktuelle Kohlendioxidquellen mit neuen Kohlekraftwerken und neuen Zementwerken entstehen. Selbst wenn wir versuchen, die erneuerbaren Energien so stark wie möglich voranzutreiben, werden wir dennoch hauptsächlich feststellen, dass unsere elektrische Energie aus der weltweiten Kohleförderung stammt, und der CO2-Gehalt wird weiter steigen. Wir müssen unbedingt ein Programm entwickeln, mit dem wir all das CO2 abfangen und etwas damit anfangen können.
Wir müssen ein Modell schaffen, in dem Entwicklungsländer und Industrieländer an denselben Technologien arbeiten und tatsächlich einen Gewinn erzielen können, indem sie dieses CO2 aus den Emissionen von Kohlekraftwerken herausholen und es für Produkte verwenden, die bereits in ihrer Wirtschaft sind, wie Beton, Straßensockel, Spachtelmasse für Asphalt und andere Dinge, die mit diesen Materialien gemacht werden können. Ich glaube nicht, dass es ein anderes Reservoir gibt, in das wir so viel Kohlendioxid einbringen können. Wir haben jedoch einen wunderschönen Markt für Beton, der sich perfekt für die Einführung dieser Technologie und die gleichzeitige Lösung des Kohlenstoffproblems der Betonindustrie eignet und den Ländern, die sich für diesen Prozess entscheiden, neue, prosperierende Volkswirtschaften bringt.
Welche Änderung möchten Sie sehen, wie wir die erstellte Umgebung erstellen?
Ich denke, wir müssen wirklich zu den Grundlagen zurückkehren, wenn wir an die gebaute Umgebung denken. Wenn wir uns zum Beispiel Strukturen ansehen, die vor der Herstellung von Stahl gebaut wurden, wissen wir, dass wir diese Prinzipien unterschiedlich kennengelernt haben. Die Pyramiden wurden nicht nur so gebaut, wie sie waren, weil sie die Form mochten. Es liegt daran, dass sie keinen Stahl verwendeten. Um Strukturen aus Stein ohne Stahl zu bauen, müssen Sie die gesamte Struktur anders betrachten.
Eine andere Möglichkeit, die gebaute Umwelt zu überdenken, sind beispielsweise Straßen. Der meiste Beton wird heute auf Straßen verwendet. Und hier in den USA bauen wir unsere Straßen nur, wenn sie aus höchstens ein paar Fuß dickem Beton bestehen. Und typische Straßen in Europa sind mehrere Meter dick. Und sie halten viel länger. Und die Gründe dafür hängen mit dieser ganzen Denkweise der Wirtschaftlichkeit des Straßenbaus zusammen. Aber stellen Sie sich vor, diese Straße ist jetzt so angelegt, dass Kohlendioxid gebunden wird. Je dicker die Straße, desto länger dauert es. Je mehr Kohlendioxid wir binden.
Architekten denken heute, wie kann ich die Menge an Beton, die ich in meinem Material verwende, minimieren? Weil wir daran interessiert sind, den CO2-Fuß so weit wie möglich zu minimieren. Stattdessen können wir die gebaute Umgebung als einen Ort betrachten, an dem Kohlendioxid gebunden wird.