Materiały cementowe stopniowo wiążą dwutlenek węgla, tworząc trwałe związki mineralne, a proces ten trwa dziesięciolecia. Naukowcy wiedzą o tym zjawisku od lat, ale dopiero teraz policzyli je z odpowiednią precyzją, która ma znaczenie w skali kraju. Zespół z MIT Concrete Sustainability Hub przygotował pierwszą tak szczegółową analizę naturalnego pochłaniania dwutlenku węgla przez cement w istniejących budynkach i infrastrukturze. W przypadku Stanów Zjednoczonych mówimy o ponad 6,5 mln ton CO2 rocznie, co odpowiada około jednej ósmej procesowych emisji z krajowej produkcji cementu. W Meksyku pochłanianie sięga około 5 mln ton, czyli blisko jednej czwartej emisji z wytwarzania cementu w tym kraju.
Te liczby nie zamieniają sektora budowlanego w zielonego bohatera, ale zmuszają do gruntownej korekty sposobu, w jaki liczymy jego ślad węglowy. Okazuje się bowiem, że nasza infrastruktura nie tylko emituje, ale jednocześnie magazynuje część węgla, który trafił do atmosfery na etapie wypału klinkieru. Skala tego efektu zależy jednak dramatycznie od rodzaju konstrukcji, klimatu, lokalnych praktyk budowlanych i receptur betonu, więc proste uśrednienia przestają mieć sens. Nowe podejście MIT pokazuje, że w analizie cyklu życia cementu nie da się już pomijać etapu powolnego, rozciągniętego na dziesięciolecia pochłaniania CO2.
Sekret tkwi w porach. Jak cement wiąże dwutlenek węgla?
Cały mechanizm sekwestracji CO₂ przez materiały cementowe opiera się na prostej chemii i dostępie do powietrza. Dwutlenek węgla z atmosfery przenika przez mikroskopijne pory w betonie lub zaprawie. Wewnątrz reaguje on ze związkami wapnia obecnymi w cemencie, przekształcając się w trwały mineralny węglan wapnia, a więc ten sam, który tworzy zwykły wapień. Naukowcy z MIT, aby oszacować skalę tego zjawiska w USA i Meksyku, stworzyli system tzw. archetypów, czyli modeli reprezentujących różne typowe konstrukcje i elementy infrastruktury. Takie podejście pozwoliło po raz pierwszy na tak dokładną, krajową kalkulację.
Czytaj też: Odkrycie, które zmieni komputery kwantowe. Klastry złota osiągnęły 40% polaryzacji spinowej
Efektywność pochłaniania węgla przez cement nie jest jednak stała, bo wpływają na niego cztery czynniki: rodzaj zastosowanego cementu, finalny produkt (czy będzie to beton konstrukcyjny, bloczek czy zaprawa), geometria samej konstrukcji oraz lokalny klimat i warunki ekspozycji. Różnice bywają drastyczne, bo nawet w obrębie jednego budynku poszczególne elementy mogą pochłaniać CO₂ z pięciokrotnie różną intensywnością.
Najważniejszym parametrem jest porowatość. Materiały o większej porowatości, jak zaprawy murarskie, wiążą dwutlenek węgla nawet dziesięciokrotnie szybciej niż gęsty, wysoko wytrzymały beton używany do fundamentów. Tłumaczy to ciekawy paradoks zaobserwowany przez badaczy, bo Meksyk, który zużywa około połowę mniej cementu niż Stany Zjednoczone, osiąga aż trzy czwarty amerykańskiego poziomu sekwestracji węgla. Ta dysproporcja pokazuje, że sama technologia materiałowa to nie wszystko – kluczowe są również lokalne praktyki budowlane i preferencje.
Aby dojść do takich liczb, badacze musieli zaprojektować cały cyfrowy katalog życia betonu. Każdy archetyp to nie tylko geometryczny model ściany, stropu czy chodnika, ale także zestaw informacji o klasie wytrzymałości, grubości elementu, sposobie użytkowania oraz typowym czasie eksploatacji. Do tego dochodzi etap końca życia konstrukcji: kiedy beton trafia na złomowisko lub jest kruszony jako kruszywo wtórne, proces karbonatyzacji wcale się nie zatrzymuje. Przeciwnie, rozdrobnienie i ekspozycja na powietrze potrafią go przyspieszyć, a część dwutlenku węgla zostaje trwale związana w stertach gruzu zalegających na placach składowych.
Z perspektywy analizy śladu węglowego oznacza to, że cement nie jest jednorazowym źródłem emisji, jak spalony litr paliwa, lecz dynamicznym magazynem, którego bilans zmienia się w czasie. Tradycyjne modele, w których emisje z produkcji cementu pojawiają się tylko w roku budowy obiektu, ignorują powolny, ale mierzalny zwrot w postaci pochłaniania CO₂. Nowa metodologia CSHub pozwala rozłożyć ten proces na czynniki pierwsze i przypisać go konkretnym typom elementów, miastom, a nawet scenariuszom rozbiórki i recyklingu.
Projektowanie pod kątem klimatu. Szansa i ograniczenia
Wyniki badań wskazują konkretne kierunki dla architektów i inżynierów, którzy chcieliby projektować konstrukcje bardziej aktywne w pochłanianiu węgla. Randolph Kirchain z MIT zwraca uwagę na proste modyfikacje. Zwiększenie powierzchni betonu wystawionej na bezpośredni kontakt z powietrzem znacząco przyspiesza proces. Można to osiągnąć poprzez rezygnację z warstw wykończeniowych, takich jak farby czy płytki, lub wybierając formy konstrukcyjne o dużej powierzchni względem objętości, jak płyty żebrowe. Kolejnym krokiem jest unikanie przesadnego bezpieczeństwa, a więc stosowanie mieszanek betonowych o wyższej wytrzymałości niż jest to konieczne, bo są one zwykle mniej porowate i wolniej wiążą CO₂.
Entuzjazm należy jednak temperować zdrowym rozsądkiem konstrukcyjnym. Maksymalizacja porowatości ma swoje jasne granice. Zbyt porowaty beton łatwiej nasiąka wodą, co może prowadzić do szybszej korozji zbrojenia i w konsekwencji do poważnych problemów z trwałością i bezpieczeństwem konstrukcji. Równowaga między sekwestracją węgla a wymaganiami technicznymi jest tutaj absolutnie kluczowa.
Koniec z szacunkami. Potrzeba dokładniejszych raportów
Praca naukowców z MIT ma znaczenie wykraczające powyżej samą technologię materiałową. Wskazuje ona na pilną potrzebę aktualizacji międzynarodowych systemów raportowania emisji, a w tym wytycznych Międzyrządowego Zespołu ds. Zmian Klimatu (IPCC). Obecnie stosowane uproszczone modele mogą zawyżać rzeczywisty potencjał sekwestracyjny, a to tylko zniekształca obraz śladu węglowego całego sektora.
Istnieje realna szansa na udoskonalenie sposobu, w jaki pochłanianie węgla z cementu jest przedstawiane w krajowych inwentaryzacjach. Otaczające nas budynki i beton pod naszymi stopami nieustannie wchłaniają miliony ton CO₂. Niemniej jednak, niektóre uproszczone wartości w powszechnie stosowanych strukturach sprawozdawczych mogą prowadzić do wyższych oszacowań niż te, które obserwujemy empirycznie.
Czytaj też: Czarnobyl znów niepokoi naukowców. Tajemniczy wzrost aktywności neutronowej w zniszczonym reaktorze
Opracowana przez specjalistów metodologia, połączona z globalnymi bazami danych o zasobach budowlanych, może być zastosowana w innych krajach. Daje to fundament pod bardziej świadome projektowanie i rzetelniejszą globalną politykę klimatyczną. Nie jest to magiczne rozwiązanie problemu emisji z budownictwa, ale ważna część układanki, którą warto precyzyjnie dopasować. Pokazuje, że nawet w dojrzałych technologiach tkwi potencjał do optymalizacji, jeśli tylko zaczniemy na nie patrzeć pod odpowiednim kątem.