El hormigón ha contribuido a crear algunos de los monumentos más impresionantes de la humanidad, pero es un importante contribuyente a las emisiones de carbono.
Un nuevo estudio afirma que, si sustituimos solo uno de los principales ingredientes del hormigón por roca volcánica, podríamos reducir drásticamente sus emisiones de carbono en casi dos tercios.
El proceso de transformación de la roca volcánica en hormigón se asemeja a la forma en que las rocas se cementan en entornos hidrotermales, lo que ofrece una pista importante a los investigadores.
Sustituir solo uno de los principales ingredientes del hormigón por roca volcánica podría reducir drásticamente las emisiones de carbono derivadas de la fabricación del material en casi dos tercios, según un nuevo estudio.
El hormigón nos ha dado el Panteón de Roma, la Ópera de Sídney, la presa Hoover y innumerables monolitos macizos. Esta roca artificial recubre nuestras ciudades y carreteras, sustenta parques eólicos y matrices de paneles solares, y se verterá en grandes cantidades en proyectos de infraestructura respaldados por las inversiones de recuperación tras la COVID-19 en Estados Unidos y en el extranjero.
Sin embargo, esto supone un coste elevado para los esfuerzos por combatir el cambio climático, ya que el cemento —el elemento aglutinante que se mezcla con arena, grava y agua para fabricar hormigón— se encuentra entre los mayores contribuyentes industriales al calentamiento global.
«El hormigón es omnipresente porque es uno de los materiales de construcción más asequibles, es fácil de manipular y puede moldearse en prácticamente cualquier forma», afirma Tiziana Vanorio, profesora asociada de geofísica en la Universidad de Stanford.
Sin embargo, la producción de cemento genera hasta el 8 % de las emisiones anuales de dióxido de carbono relacionadas con la actividad humana, y se prevé que la demanda aumente en las próximas décadas, a medida que la urbanización y el desarrollo económico impulsen la construcción de nuevos edificios e infraestructuras.
«Si queremos reducir las emisiones de carbono hasta los niveles necesarios para evitar un cambio climático catastrófico, debemos cambiar la forma en que fabricamos el cemento», afirma Vanorio.
Arrecifes de coral, caparazones de langosta y gambas mantis
El problema de CO2 del hormigón comienza con la caliza, una roca compuesta principalmente de carbonato de calcio. Para fabricar cemento Portland —el ingrediente principal pastoso del hormigón moderno—, la caliza se extrae, se tritura y se cuece a alta temperatura junto con arcilla y pequeñas cantidades de otros materiales en gigantescos hornos. Generar este calor suele implicar la quema de carbón u otros combustibles fósiles, lo que representa más de un tercio de las emisiones de carbono asociadas al hormigón.
El calor desencadena una reacción química que produce grumos grises del tamaño de una canica, conocidos como clínker, que después se muelen hasta obtener el polvo fino que reconocemos como cemento. Además, la reacción libera carbono que, de otro modo, podría permanecer atrapado en la caliza durante cientos de millones de años. Este paso aporta la mayor parte de las emisiones restantes de CO2 de la producción de hormigón.
Vanorio y sus colegas están desarrollando actualmente prototipos de cemento que eliminan la reacción química que emite CO2 mediante la fabricación de clínker con una roca volcánica que contiene todos los componentes básicos necesarios, pero nada de carbono.
Como el material de construcción más utilizado del planeta, el hormigón lleva mucho tiempo siendo objeto de reinvención. Investigadores y empresas han encontrado inspiración para nuevas fórmulas en los arrecifes de coral, los caparazones de langosta y las garras en forma de maza de las gambas mantis. Otros sustituyen parcialmente el clínker por residuos industriales, como la ceniza volante de las centrales de carbón, o inyectan dióxido de carbono capturado en la mezcla como forma de reducir el impacto climático del hormigón.
El presidente Joe Biden ha pedido ampliar la captura de carbono y el uso de hidrógeno como combustible en la fabricación de cemento para ayudar a reducir a la mitad las emisiones de gases de efecto invernadero de EE. UU. con respecto a los niveles de 2005 para 2030.
Prescindir de la caliza
Vanorio propone prescindir por completo de la caliza y partir, en su lugar, de una roca que podría extraerse en muchas regiones volcánicas del mundo. «Podemos tomar esta roca, molerla y después calentarla para producir clínker utilizando el mismo equipo e infraestructura que se emplean actualmente para fabricar clínker a partir de caliza», afirma.
El agua caliente mezclada con este clínker de bajo carbono no solo lo transforma en cemento, sino que también favorece el crecimiento de largas cadenas de moléculas entrelazadas que, al observarse al microscopio, parecen fibras enmarañadas. Estructuras similares existen en rocas cementadas de forma natural en entornos hidrotermales —lugares donde agua muy caliente circula justo bajo la superficie— y en los puertos romanos de hormigón, que han resistido 2000 años de ataques del agua salina corrosiva y de olas embravecidas, mientras que el hormigón moderno normalmente se desmoronaría en pocas décadas.
Como el armado de acero que se utiliza habitualmente en las estructuras de hormigón modernas para evitar grietas, estas diminutas fibras minerales combaten la fragilidad habitual del material.
«El hormigón no soporta bien que lo estiren. Sin algún tipo de refuerzo, se romperá antes de doblarse bajo tensión», afirma Vanorio, autora principal de artículos recientes sobre las microestructuras del hormigón marino romano y sobre el papel de la física de rocas en la transición hacia un futuro de bajas emisiones de carbono. Actualmente, la mayor parte del hormigón se refuerza a gran escala con acero.
«Nuestra idea es reforzarlo a nanoescala, aprendiendo cómo las microestructuras fibrosas refuerzan eficazmente las rocas, y qué condiciones naturales las producen», afirma.
Lecciones de regeneración y resiliencia
El proceso que Vanorio imagina para transformar roca volcánica en hormigón se asemeja a la forma en que las rocas se cementan en entornos hidrotermales. Con frecuencia presentes alrededor de volcanes y por encima de los límites activos de las placas tectónicas, las condiciones hidrotermales permiten que las rocas reaccionen y se recombinen rápidamente a temperaturas que no superan las de un horno doméstico, utilizando el agua como disolvente eficaz.
Al igual que la piel que cicatriza, las grietas y fallas de la capa más externa de la Tierra se cementan con el tiempo mediante reacciones entre minerales y agua caliente. «La naturaleza ha sido una gran fuente de inspiración para materiales innovadores que imitan la vida biológica», afirma Vanorio. «También podemos inspirarnos en los procesos terrestres que permiten la regeneración y la resistencia al daño».
Desde los ladrillos y el metal forjado hasta el vidrio y los plásticos, las personas llevan mucho tiempo fabricando materiales utilizando las mismas fuerzas que impulsan el ciclo de las rocas de la Tierra: calor, presión y agua. Numerosos estudios arqueológicos y mineralógicos indican que los antiguos romanos pudieron haber aprendido a aprovechar la ceniza volcánica para la receta de hormigón más antigua conocida, al observar cómo endurecía al mezclarse de forma natural con agua.
«Hoy tenemos la oportunidad de observar la cementación con la perspectiva de la tecnología del siglo XXI y del conocimiento de los impactos ambientales», afirma Vanorio.
Vanorio se asoció con el profesor de ciencia e ingeniería de materiales Alberto Salleo para ir más allá de imitar la geología y pasar a manipular sus procesos para obtener resultados específicos y propiedades mecánicas mediante ingeniería a nanoescala. «Cada vez es más evidente que el cemento puede diseñarse a nanoescala y que también debería estudiarse a esa escala», afirma Salleo.
Aprovechar los defectos del hormigón
Muchas de las propiedades del cemento dependen de pequeños defectos y de la solidez de los enlaces entre los distintos componentes, explica Salleo. Las diminutas fibras que crecen y se entrelazan durante la cementación de las rocas pulverizadas actúan como cuerdas que se tensan, aportando resistencia. «Nos gusta decir que los materiales son como las personas: son sus defectos los que los hacen interesantes», afirma.
En 2019, una curiosidad persistente por el antiguo hormigón que había visto entre las ruinas de niño, al crecer en Roma, llevó a Salleo a ponerse en contacto con Vanorio. Ella, por su parte, inició su trayectoria en la física de rocas tras experimentar el dinamismo de la corteza terrestre durante su infancia en una ciudad portuaria napolitana, situada en el centro de una caldera donde se desarrolló por primera vez el hormigón romano.
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Desde entonces, Salleo ha llegado a considerar que el trabajo sobre un clínker de bajas emisiones de carbono inspirado en procesos geológicos encaja de forma lógica con los proyectos de su grupo relacionados con la sostenibilidad, como las células solares de bajo coste basadas en materiales plásticos y los dispositivos electroquímicos para el almacenamiento de energía.
«Pensar en un clínker de bajas emisiones de carbono es otra forma de reducir la cantidad de CO2 que enviamos a la atmósfera», afirma. Pero esto es solo el principio. «La Tierra es un gigantesco laboratorio donde los materiales se mezclan a altas temperaturas y altas presiones. ¿Quién sabe cuántas otras estructuras interesantes y, en última instancia, útiles existen?».
Fuente: Universidad de Stanford
