Grüner Beton

Der Schutz der gebauten Umwelt vor den Kräften der Natur mit Dämmen und Deichen ist eine wichtige Arbeit (siehe Holland retten) , ebenso wie der Schutz der natürlichen Umwelt vor der technischen Welt. Aber der Ingenieur des 21. Jahrhunderts sollte auch die Natur als starken Designpartner und Quelle nachhaltiger Lösungen betrachten. Ein guter Anfang ist es, die Konstruktionsweise natürlicher Materialien im Nanomaßstab zu studieren und sich von ihnen inspirieren zu lassen, wenn wir unsere eigenen Materialien entwickeln. Nehmen Sie zum Beispiel den Baustoff der Wahl des Bauingenieurs: Beton, der älteste technische Baustoff und nach Wasser einer der am häufigsten verbrauchten Materialien der Erde.





Pro Jahr werden 1,89 Milliarden Tonnen Zement – ​​der Hauptbestandteil von Beton – hergestellt, genug, um einen Kubikmeter Beton für jeden lebenden Menschen zu produzieren. Leider ist Zement eine Hauptquelle für atmosphärisches Kohlendioxid – vor allem, weil er durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe hergestellt wird, um Kalkstein- und Tonpulver auf 1.500 °C zu erhitzen, wodurch seine Molekularstruktur verändert wird. Wenn das Zementpulver später mit Wasser und Kies vermischt wird, wird die investierte Energie in chemische Bindungen freigesetzt, die Kalziumsilikathydrate bilden – den Klebstoff, der den Kies zu Beton verbindet. Die Produktion von Zement macht schätzungsweise 7 bis 8 Prozent aller vom Menschen verursachten Kohlendioxidemissionen aus.

Zweite Erde

Diese Geschichte war Teil unserer Juli-Ausgabe 2007

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Wenn es uns gelingt, einen neuartigen Zement zu entwickeln, bei dessen Herstellung nur halb so viel Kohlendioxid entsteht, erreichen wir eine deutliche Reduzierung der gesamten Kohlendioxid-Emissionen. Und menschlicher Knochen könnte uns zeigen, wie es geht.



Die Stärke von Zement beruht hauptsächlich auf der Art und Weise, wie sich die Calciumsilikathydrate zu Partikeln zusammenfügen, die sich mit der höchstmöglichen Dichte für kugelförmige Objekte zusammenfügen. Menschlicher Knochen – oder genauer gesagt die Apatitmineralien im Knochen – erreicht im Nanobereich eine sehr ähnliche Packungsdichte, wird jedoch bei Körpertemperatur ohne nennenswerte Freisetzung von Kohlendioxid hergestellt. Auf der Nanoskala hat Knochen viel mit Beton gemeinsam: Er besteht zu einem großen Teil aus Kalzium; seine Festigkeit weist eine erhebliche Reibungskomponente auf; und Kollagenproteine ​​tragen dazu bei, ihn zu verstärken, ähnlich wie Stahlstangen Beton verstärken.

Natürlich dauert die Hydratation und Aushärtung der Apatitmineralien bei Knochen etwa einen Monat, mehr Zeit, als wir uns auf Baustellen leisten können. Aber wenn wir einen Weg finden, den Prozess nachzuahmen und ihn zu beschleunigen, könnten wir ihn replizieren, um ein neues Baumaterial herzustellen.

Dies ist nur ein Beispiel für die Forschung, die sich auf die grenzenlosen Gestaltungsmöglichkeiten der Natur stützt – und daraus grundlegende Konstruktionsprinzipien extrahiert.



Franz-Josef Ulm, Materialexperte, ist Professor am Department of Civil and Environmental Engineering des MIT.

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