«Знаете, цемент есть везде», - говорит Николаос Власопулос, инженер по охране окружающей среды в Имперском колледже в Лондоне, сидя в ярко освещенном конференц-зале колледжа в огромном семиэтажном здании, поддерживаемом темой для разговора. «Это все вокруг нас».
Из этой истории
[×] ЗАКРЫТЬ
Мечта Николаоса Власопулоса - разработать новый материал, производство которого, в отличие от производства традиционного цемента, поглощает углекислый газ. В случае успеха он поможет уменьшить основной фактор изменения климата и заявит о себе в смелом прогрессе в технологии строительства. (Джон Риттер) 
Пилотный завод Novacem является первым цементным заводом в центре Лондона со времен Римской империи. (Алекс Маси) 
Власопулос раньше работал на цементном заводе со своим дядей, который теперь дразнит его: «Ты собираешься закрыть мой бизнес». (Алекс Маси) 
Novacem планирует сначала испытать свой экспериментальный цемент (выше: образцы блоков) в таких сооружениях, как будки и патио. (Алекс Маси) 
Фотогалерея
В прошлом году в мире было произведено 3, 6 миллиарда тонн цемента - минеральной смеси, которая затвердевает в бетон при добавлении в воду, песок и другие материалы - и это количество может увеличиться на миллиард тонн к 2050 году. Во всем мире единственное вещество, которое люди используют больше чем бетон, в общем объеме это вода.
Власопулос говорит, что достоинства цемента давно очевидны: он недорогой, сыпучий и, как ни странно, становится твердым как камень. Но еще одна важная деталь редко признается: цемент грязный. Не пачкайся, так как он не сойдет с твоей одежды - хотя эта проблема преследовала строителей веками. Ключевым ингредиентом является известняк, в основном карбонат кальция, остатки обстрелянных морских существ. Рецепт приготовления цемента предусматривает нагревание известняка, которое требует использования ископаемого топлива. А при нагревании известняк посылает углекислый газ в атмосферу, где он задерживает тепло, способствуя глобальному потеплению. На производство цемента приходится 5 процентов мировых выбросов диоксида углерода в мире; в Соединенных Штатах только потребление ископаемого топлива (для транспорта, электричества, химического производства и других целей) и металлургическая промышленность выпускают больше парникового газа. А в быстро растущих странах, таких как Китай и Индия, которые используют цемент для строительства своего подъема, грязь цемента становится одним из главных недостатков глобализации.
Если огромный вклад цемента в загрязнение воздуха в значительной степени игнорируется широкой публикой, Власопулос, 31 год, знал об этом в течение некоторого времени. Он вырос в Патре, греческом порту. Его отец был инженером, а мать работала в банке, и во время летнего дома Власопулоса из колледжа Dimokrition Panepistimion Thrakis, где он изучал инженерию по окружающей среде, он работал со своим дядей на цементном заводе. Это было случайно. Его работа состояла в том, чтобы собрать оборудование, которое измеряло уровни эмиссии углекислого газа. Они были высокими; Как правило, завод производит около тонны углекислого газа на каждую тонну цемента. Власопулос думал, что работа интересная, но он не видел цемента в своем будущем. Было скучно, было старо, было грязно.
Затем один из его профессоров в Имперском колледже, где он работал на степень магистра в области машиностроения, получил финансирование для изучения нового типа цемента, производимого австралийской компанией. Профессор Кристофер Чизмен убедил Власопулоса сотрудничать в этом проекте и получить докторскую степень. «Это был шанс сделать хорошую работу», - сказал Власопулос в своей типичной сдержанной манере.
Люди пытаются построить лучший цемент с самого начала истории. Более 2000 лет назад римляне изобрели смесь извести, вулканического пепла и кусков камня, чтобы сформировать бетон, который использовался для изготовления гаваней, памятников и зданий - клея ранних городов, включая Пантеон и Колизей. В 1820-х годах в Лидсе, Англия, примерно в 200 милях от Имперского колледжа, каменщик по имени Джозеф Аспдин изобрел современный цемент. Аспдин нагрел смесь из тонкоизмельченного известняка и глины на своей кухне. После того, как он добавил воду, смесь затвердела. Вуаля - строительный блок промышленной революции родился. Поскольку материал выглядел как популярный строительный камень с острова Портленд, Аспдин назвал свое изобретение портландцементом. Патент, выданный в 1824 году, был предназначен для «улучшения способа производства искусственного камня».
Австралийские разработчики опробовали новый рецепт, смешивая портландцемент с оксидом магния. Они надеялись сократить выбросы углерода, потому что оксид магния может заменить некоторое количество известняка, а оксид магния не нужно нагревать при такой высокой температуре. Известняк должен быть нагрет до 2600 градусов по Фаренгейту, но оксид магния можно приготовить для цемента при температуре 1300 градусов, температуре, которая может быть достигнута с помощью биомассы и других видов топлива, которые выделяют меньше углерода, сокращая потребление ископаемого топлива.
Но Власопулос быстро обнаружил, что смесь не снижает общие выбросы углекислого газа. В некоторых тестах выбросы почти удваивались, потому что сам оксид магния получается нагреванием карбонатов магния, процесс, который выделяет углекислый газ.
«Я помню, как чувствовал себя очень разочарованным, потому что, когда вы видите, что проект, над которым вы работаете, на самом деле не тот, о котором вы думали, вы теряете мотивацию», - сказал он. «Но мы чувствовали, что это очень стоящий проект, стоящая идея, поэтому мы попытались найти другой способ решения проблемы».
В то время, когда Власопулос занялся этим вопросом, в 2004 году крупные цементные компании во всем мире искали новые способы сделать портландцемент более приемлемым с точки зрения экологии. Производители добавили побочные продукты производства стали, такие как шлак; остатки угля, такие как летучая зола; и другие материалы, такие как оксид магния, для заполнения цементной смеси, требующие меньшего количества портландцемента. Они экспериментировали с минеральными добавками, чтобы снизить температуру, необходимую для подготовки материалов.
Но трудно изменить продукт, химический состав которого не совсем понятен. «На самом деле мы никогда не знали точной химии того, как все это усложняется», - сказал Хэмлин Дженнингс, эксперт по химии цемента и руководитель MIT's Concrete Sustainability Hub, одной из нескольких академических инициатив по выработке «зеленого» цемента. «Я не думаю, что сегодня в мире используется какой-либо строительный материал, который менее понятен, чем портландцемент».
Пока цементные компании возились с оригиналом, Власопулос взял другую тактику. «Вы можете сделать так много только с портландцементом, чтобы сделать его лучше», - сказал он. "Что есть, то есть. Это материал, с которого вы начинаете. Мы должны были придумать что-то еще ». Власопулосу понравилась идея использовать оксид магния в качестве замены известняка для образования цемента, но ему нужен был другой материал, чтобы усложнить его. Смешивание окиси магния в одиночку с водой не поможет - смесь становится слякотной. И ему нужно было найти источник оксида магния, который бы не выделял столько углекислого газа. Класс материала, на котором он остановился, - это силикаты магния, не содержащие углерода соединения, полученные из талька, серпентина, оливина или других минералов. Мировое предложение этих минералов составляет около 10 000 миллиардов тонн, что является важным фактором, потому что, если у человека кончится мука, больше выпечки выпечки не будет.
Власопулос не совсем хочет объяснить, как работает его экспериментальное соединение. Его секретный соус, пожалуй, очень прибыльный секрет. Несколько патентов были поданы. Он многое расскажет: несколько лет назад он начал смешивать оксид магния с другими химическими соединениями, которые он создал, и водой. Смесь затвердела в маленький шарик. Он принес его в офис Чизмен. «Вы могли чувствовать тепло, исходящее от этого маленького шарика», - сказал Чизмен. «Что-то явно происходило». Химические реакции были запущены; энергия была выпущена. Они не были слишком взволнованы. «Я имею в виду, это цемент, о котором мы здесь говорим, - это не самый сексуальный материал в мире», - сказал Чизмен. «Я не бегал взад-вперед по коридорам, занимаясь колесами, но это было интересно».
Химические вещества, которые Vlasopoulos смешивает с оксидом магния и водой, чтобы сделать цемент твердым, являются карбонатами магния, которые он делает, добавляя углекислый газ к другому сырью. Это означает, что цемент в некоторых сценариях не только углеродно-нейтральный, но и углерод-отрицательный. На каждую тонну произведенного цемента Власопулоса может быть поглощена одна десятая тонны углекислого газа.
В конце концов Власопулос с помощью Cheeseman основал компанию Novacem для разработки нового цемента. Фирма с более чем дюжиной сотрудников и партнерскими отношениями с некоторыми из крупнейших цементных компаний в мире находится в бизнес-инкубаторе для высокотехнологичных стартап-компаний в Имперском колледже. В то время как некоторые другие компании в этом учреждении являются стартапами в области биологических наук, в микробиологических лабораториях, в которых установлены машины для секвенирования генов и имеются пробирки, лаборатория Novacem представляет собой просторное предприятие, которое производит громкие звуки, пыль и ведро за ведром цемента. Это первый цементный завод в центре Лондона со времен римлян.
Рабочие в касках, защитных очках, масках и белых халатах используют миниатюрную версию цементного завода, мало чем отличающуюся от той, в которой работал Власопулос во время летних каникул.
Несмотря на то, что все еще совершенствует свои процедуры, Novacem участвует как минимум в пяти других компаниях и университетских центрах, чтобы создать более экологичный цемент. «Учитывая все внимание к углероду в эти дни, появилось много предпринимателей», - сказал Дженнингс из MIT. «Они видят возможности с другой стороны». С цементной промышленностью в 170 миллиардов долларов в год вкладываются инвестиционные деньги.
Калифорнийская компания Calera использует, пожалуй, самый необычный подход: она использует углекислый газ, выделяемый электростанцией, и смешивает его с морской водой или рассолом для создания карбонатов, которые используются для производства цемента. Они могут быть добавлены в портландцемент, чтобы заменить часть или весь известняк. Calera поддерживается инвестициями в 50 миллионов долларов от Винода Хосла, компьютерного инженера, который, возможно, является наиболее уважаемым и глубоко укоренившимся инвестором в «зеленые» технологии Силиконовой долины. «На самом деле мы производим цемент из CO2», - сказал основатель компании Брент Констанц. «Мы берем CO2, который мог бы попасть в атмосферу, и превращаем его в цемент». Технология все еще находится в стадии разработки, с демонстрационным заводом в Мосс-Ландинг, штат Калифорния, и партнерством с китайской группой по строительству завода рядом с угольная шахта во Внутренней Монголии, где они планируют использовать выбросы углекислого газа для производства цемента.
Calix, австралийская компания, производит цемент с использованием перегретого пара, который модифицирует частицы цемента и делает их более чистыми и химически активными. В процессе также выделяется углекислый газ, что облегчает захват газа и удержание его вне атмосферы.
Технический университет Луизианы, как и Novacem и Calera, полностью избавляется от известняка; он использует пасту, называемую геополимер, которая состоит из летучей золы, гидроксида натрия и гидроксида калия.
«Пыль со временем осядет, и одна из этих идей сработает», - сказал Дженнингс.
Ранее одним из крупнейших скептиков Novacem была крупнейшая частная строительная компания в Великобритании, Laing O'Rourke. Дирадж Бхардвадж, ответственный за отслеживание перспективной работы в университете, узнал о продукте Novacem благодаря своим научным связям. Он посмотрел на химию, подумал, что все проверено, и несколько лет назад довел идею до председателя, у которого было много сомнений. По его словам, цемент не может быть достаточно прочным для коммерческого использования. Нужен был известняк. Когда материал Novacem достиг 40 мегапаскалей - минимальное количество прочности, необходимое для структурной стабильности - тогда он мог быть заинтересован.
Семь дней спустя небольшой кусок цемента Novacem, помещенный в похожий на тиски инструмент, достиг этой отметки. Двадцать восемь дней спустя он достиг 60 мегапаскалей. Затем Бхардвадж передал результаты председателю, который сказал: «Давайте сделаем эту работу». Лэйнг О'Рурк теперь является основным партнером Novacem. Сегодня, после долгих промахов, цемент приближается к 80 мегапаскалям. Бетон, изготовленный из цемента Novacem, по прочности сопоставим с некоторыми стандартными бетонами.
Другими партнерами Novacem являются Lafarge в Париже, крупнейший в мире производитель строительных материалов, и Rio Tinto, лондонская глобальная горнодобывающая компания, стремящаяся помочь Novacem добывать силикаты магния.
«В настоящее время цементная промышленность наращивает финансово значимые, научно значимые аспекты», - сказал Дженнингс, ссылаясь на все различные экспериментальные подходы. «Мир меняется. Все, включая все цементные компании, должны быть как можно более экологичными и немного заботиться о мире ».
Дженнингс отказался поддержать какой-либо конкретный новый цемент. «Если работы Novacem, - сказал он, - это очень привлекательная идея».
Бхардвадж более привержен. Он сказал, что недавно пошел в свою команду инженеров. «Честно, не будь вежливым», - сказал он им. «Отложите в сторону любой вопрос об углероде. Как вы думаете, это что-то похожее на портландцемент? »Ответ удивил его: они сказали, что это лучше. Зачем? Он был не только сильным, но и чисто белым. Портландцемент слегка серый. «Вы можете добавить цвета к этому цементу», - сказал Бхардвадж. «Представьте, что у вас дома есть цветная цементная стена, которую вы хотели».
Цемент прекрасного оттенка белого, как отметил Власопулос, демонстрируя прототип цементного завода своей компании. Ссылаясь на соседние бионаучные лаборатории, он сказал: «Мы громче», добавив: «Они там лечат людей; мы лечим что-то еще ». Неподвижная машина, стоящая перед ним, на данный момент бездействующая, имеет длинные трубы, которые стучат и лязгают, сигналы тревоги, которые срабатывают, и смесители, которые взбивают и выплевывают ведра творения Власопулоса.
Vlasopoulos был в бодром настроении, только что сделал предложение своей девушке накануне. (Она сказала «да».) В углу комнаты было то, что он назвал «наш музей». На маленьком столе стояли ранние куски цемента Novacem - они выглядели как детские блоки, просто более грязные. «Это было не так хорошо», - сказал он, подняв хрупкий на вид кусочек. «Теперь мы знаем, что делаем». Завод может производить около пяти тонн цемента в год. Компания также работает над другим объектом, который будет производить 200 тонн в год. Если все пойдет хорошо, компания намерена лицензировать свой рецепт производителям цемента по всему миру.
Основное препятствие, которое компании еще предстоит преодолеть, - это история. Портлендский цементный завод . С тех пор, как в 1824 году он всегда был на кухне Джозефа Аспдина. «Цемент существует очень давно», - сказал Бхардвадж. «Люди верят этому. Они могут осмотреть все здания, которые сохранились сотни лет. Таким образом, для Novacem доказательство прочности займет время. Им придется идти медленно. Если мне нужно построить мост или здание из цемента Novacem, как мне убедить людей, что это нормально? Это проблема. Никто не хочет, чтобы мост рухнул.
Отвечая на вопрос, пересечет ли он мост, построенный из цемента Novacem, Бхардвадж сказал: «У меня не будет проблем с этим». Но этот мост еще не построен.
Майкл Розенвальд писал о нанотехнологиях и охотниках за гриппом для Смитсоновского института . Джон Риттер живет в Пенсильвании.
