"Weet je, cement is overal, " zegt Nikolaos Vlasopoulos, een milieu-ingenieur aan het Imperial College in Londen, zittend in een helder verlichte universiteitsconferentieruimte in een kolossaal gebouw van zeven verdiepingen hoog gehouden door het onderwerp gesprek. "Het is overal om ons heen."
Van dit verhaal
[×] SLUITEN
De droom van Nikolaos Vlasopoulos is om een nieuw materiaal te ontwikkelen waarvan de productie, in tegenstelling tot die van traditioneel cement, kooldioxide absorbeert . Als dit lukt, zou hij een belangrijke factor in de klimaatverandering helpen verminderen - en aanspraak maken op een moedige vooruitgang in de bouwtechnologie. (John Ritter) 
De pilootfabriek van Novacem is de eerste cementfabriek in het centrum van Londen sinds de Romeinse tijd. (Alex Masi) 
Vlasopoulos werkte vroeger in een cementfabriek met zijn oom, die hem nu plaagt: "Je gaat mijn zaak sluiten." (Alex Masi) 
Novacem is van plan zijn experimentele cement (hierboven: monsterblokken) eerst te testen in structuren zoals hondenhokken en patio's. (Alex Masi) 
Fotogallerij
Vorig jaar produceerde de wereld 3, 6 miljard ton cement - het mineraalmengsel dat vast wordt in beton wanneer het wordt toegevoegd aan water, zand en andere materialen - en die hoeveelheid zou tegen 2050 met een miljard ton kunnen toenemen. Wereldwijd gebruikt de enige stof waarvan mensen meer gebruiken dan beton, in totaal volume, water is.
De deugden van Cement, zegt Vlasopoulos, zijn al lang duidelijk: het is goedkoop, gietbaar en, enigszins onverklaarbaar, hard als een rots. Maar een ander belangrijk detail wordt zelden erkend: cement is vies. Niet vies, want het komt niet van je kleren af, hoewel dat probleem bouwvakkers al eeuwen achtervolgt. Het hoofdingrediënt is kalksteen, meestal calciumcarbonaat, de overblijfselen van zeedieren zonder schaal. Het recept voor het maken van cement vereist het verwarmen van de kalksteen, waarvoor fossiele brandstoffen nodig zijn. En bij verhitting zendt kalksteen koolstofdioxidegas de atmosfeer in, waar het warmte vasthoudt en bijdraagt aan de opwarming van de aarde. Cementproductie is verantwoordelijk voor 5 procent van de door de mens geproduceerde uitstoot van koolstofdioxide; in de Verenigde Staten komt alleen het verbruik van fossiele brandstoffen (voor transport, elektriciteit, chemische productie en ander gebruik) en de ijzer- en staalindustrie meer broeikasgas vrij. En met bloeiende landen zoals China en India die cement gebruiken om hun opkomst te construeren, doemt de vuilheid van cement op als een van de belangrijkste nadelen van de globalisering.
Als de enorme bijdrage van cement aan luchtvervuiling grotendeels over het hoofd wordt gezien door het grote publiek, is Vlasopoulos, 31, al enige tijd op de hoogte. Hij groeide op in Patras, een Griekse haven. Zijn vader was ingenieur en zijn moeder werkte in een bank, en tijdens het zomershuis van Vlasopoulos van het college van Dimokrition Panepistimion Thrakis, waar hij milieutechniek studeerde, werkte hij in een cementfabriek met zijn oom. Dit was toevallig. Zijn taak was het assembleren van de apparatuur die de uitstoot van koolstofdioxide meet. Ze waren hoog; meestal produceert een fabriek bijna een ton koolstofdioxide voor elke ton cement. Vlasopoulos vond het werk interessant, maar hij zag geen cement in zijn toekomst. Het was saai, het was oud, het was vies.
Vervolgens ontving een van zijn professoren aan het Imperial College, waar hij werkte aan een master's degree in engineering, financiering om een nieuw type cement te onderzoeken dat door een Australisch bedrijf was gemaakt. De professor, Christopher Cheeseman, haalde Vlasopoulos over om samen te werken aan het project en te promoveren. "Dit was een kans om mooi werk te doen, " zei Vlasopoulos op zijn typisch ingetogen manier.
Mensen proberen al sinds het begin van de geschiedenis een beter cement te bouwen. Meer dan 2000 jaar geleden bedachten de Romeinen een mengsel van kalk, vulkanische as en brokken steen om beton te vormen, dat werd gebruikt om havens, monumenten en gebouwen te maken - de lijm van vroege steden - inclusief het Pantheon en het Colosseum. In de jaren 1820, in Leeds, Engeland, ongeveer 200 mijl van het Imperial College, vond een stenen metselaar genaamd Joseph Aspdin modern cement uit. Aspdin verwarmde een brouwsel van fijngemalen kalksteen en klei in zijn keuken. Nadat hij water had toegevoegd, werd het mengsel hard. Voilà - de bouwsteen van de industriële revolutie was geboren. Omdat het materiaal leek op een populaire bouwsteen van het eiland Portland, noemde Aspdin zijn uitvinding Portlandcement. Het patent, uitgegeven in 1824, was voor "een verbetering van de manier van produceren van een kunststeen."
De Australische ontwikkelaars hadden een nieuw recept geprobeerd, waarbij Portland-cement met magnesiumoxide werd gemengd. Ze hoopten de koolstofemissies te verminderen, omdat magnesiumoxide de plaats van een deel van de kalksteen kan innemen en magnesiumoxide niet op zo'n hoge temperatuur hoeft te worden verwarmd. Kalksteen moet worden verwarmd tot 2.600 graden Fahrenheit, maar magnesiumoxide kan worden voorbereid voor cement op 1.300 graden, een temperatuur die kan worden bereikt met biomassa en andere brandstoffen die minder koolstof afgeven, wat het verbruik van fossiele brandstoffen vermindert.
Maar Vlasopoulos ontdekte al snel dat het mengsel de totale uitstoot van koolstofdioxide niet verminderde. In sommige tests is de uitstoot bijna verdubbeld, omdat magnesiumoxide zelf wordt geproduceerd door magnesiumcarbonaten te verwarmen, een proces waarbij koolstofdioxide vrijkomt.
"Ik herinner me dat ik me erg teleurgesteld voelde, want als je ziet dat het project waaraan je werkt niet echt is wat je dacht dat het zou worden, verlies je de motivatie, " zei hij. "Maar we vonden het een zeer de moeite waard project, een waardevol idee, dus probeerden we een andere manier te vinden om het probleem op te lossen."
Toen Vlasopoulos in 2004 de vraag opnam, zochten grote cementbedrijven over de hele wereld naar nieuwe manieren om Portlandcement milieuvriendelijker te maken. De producenten voegden stalen bijproducten toe, zoals slakken; kolenresten, zoals vliegas; en andere materialen, zoals magnesiumoxide, om het cementmengsel op te vullen, waardoor minder Portlandcement nodig is. Ze experimenteerden met minerale additieven om de temperaturen te verlagen die nodig zijn om de materialen te bereiden.
Maar het is moeilijk om een product te wijzigen waarvan de chemie niet goed wordt begrepen. "We hebben nooit de exacte chemie geweten van hoe dit spul moeilijk wordt", zegt Hamlin Jennings, een expert op het gebied van cementchemie en hoofd van MIT's Concrete Sustainability Hub, een van de vele academische initiatieven om "groen" cement te smeden. "Ik denk niet dat er tegenwoordig bouwmateriaal in de wereld wordt gebruikt dat minder wordt begrepen dan Portlandcement."
Terwijl de cementbedrijven aan het origineel knutselden, pakte Vlasopoulos een nieuwe tack. "Je kunt Portland zoveel alleen doen om het beter te maken, " zei hij. "Het is wat het is. Het is het materiaal waarmee je begint. We moesten iets anders bedenken. ”Vlasopoulos vond het een goed idee om magnesiumoxide te gebruiken als vervanging voor de kalksteen om het cement te vormen, maar er was een ander materiaal voor nodig om het moeilijk te maken. Alleen magnesiumoxide mengen met water zou het niet doen - het mengsel wordt modderig. En hij moest een bron van magnesiumoxide vinden die niet zoveel koolstofdioxide uitstoot. De materiaalklasse waarop hij zich vestigde, waren magnesiumsilicaten, koolstofvrije verbindingen afgeleid van talk, serpentijn, olivijn of andere mineralen. De wereldvoorraad van deze mineralen is ongeveer 10.000 miljard ton, een belangrijke factor omdat als er geen bloem meer is, er geen cakes meer kunnen worden gebakken.
Vlasopoulos legt niet bepaald graag uit hoe zijn experimentele samenstelling werkt. Zijn geheime saus is misschien een zeer lucratief geheim. Er zijn verschillende patenten aangevraagd. Hij zal dit zoveel onthullen: een paar jaar geleden begon hij magnesiumoxide te mengen met andere chemische verbindingen die hij maakte en water. Het mengsel hardde uit tot een kleine bal. Hij bracht het naar het kantoor van Cheeseman. "Je voelde de hitte van dit balletje afkomen, " zei Cheeseman. "Er gebeurde duidelijk iets." Chemische reacties vuren; energie werd vrijgegeven. Ze werden niet overdreven opgewonden. "Ik bedoel, dit is cement waar we het hier over hebben - het is niet bepaald de meest sexy dingen ter wereld, " zei Cheeseman. "Ik rende niet door de gangen en deed cartwheels, maar het was interessant."
De chemicaliën Vlasopoulos vermengt zich met magnesiumoxide en water om het cement te laten uitharden zijn magnesiumcarbonaten, die hij maakt door kooldioxide aan andere grondstoffen toe te voegen. Dat betekent dat het cement in sommige scenario's niet alleen CO2-neutraal is, maar ook CO2-negatief. Voor elke ton geproduceerd cement van Vlasopoulos kon een tiende van een ton kooldioxide worden opgenomen.
Uiteindelijk startte Vlasopoulos, met de hulp van Cheeseman, een bedrijf, Novacem, om een nieuw cement te ontwikkelen. Het bedrijf, met meer dan een dozijn werknemers en samenwerkingsverbanden met enkele van de grootste cementbedrijven ter wereld, is gevestigd in een bedrijfsincubator voor hightech startende bedrijven aan het Imperial College. Terwijl sommige andere bedrijven in de faciliteit life sciences-startups zijn, met microbiologielabs vol met gensequencingmachines en verzamelingen reageerbuizen, is het lab van Novacem een ruime fabriek die harde geluiden, veel stof en emmer na emmer cement produceert. Het is de eerste cementfabriek in het centrum van Londen sinds de tijd van de Romeinen.
Werknemers die een helm dragen, een veiligheidsbril, maskers en witte laboratoriumjassen bedienen een geminiaturiseerde versie van een cementfabriek, in tegenstelling tot die waarin Vlasopoulos werkte tijdens de zomervakantie.
Hoewel de procedures nog steeds worden verfijnd, racet Novacem met ten minste vijf andere bedrijven en universitaire centra om met een groener cement te komen. "Gezien alle aandacht die tegenwoordig aan koolstof wordt besteed, zijn er veel ondernemers opgedoken", aldus Jennings van MIT. "Ze zien de kansenkant." Met cement een industrie van $ 170 miljard per jaar, stroomt het investeringsgeld binnen.
Een bedrijf in Californië genaamd Calera heeft misschien de meest ongewone aanpak: het gebruikt koolstofdioxide dat wordt uitgestoten door een energiecentrale en mengt het met zeewater of pekel om carbonaten te maken die worden gebruikt om cement te maken. Ze kunnen worden toegevoegd aan Portlandcement om een deel of alle kalksteen te vervangen. Calera wordt ondersteund door een investering van $ 50 miljoen van Vinod Khosla, een computeringenieur die misschien de meest gerespecteerde en diepgewortelde investeerder in Silicon Valley is in groene technologieën. "We maken ons cement eigenlijk uit CO2, " zei oprichter Brent Constantz. "We nemen CO2 die in de atmosfeer zou zijn gegaan en zou het in cement veranderen." De technologie is nog in ontwikkeling, met een demonstratiefabriek in Moss Landing, Californië, en een partnerschap met een Chinese groep om een fabriek te bouwen naast een kolenmijn in Binnen-Mongolië, waar ze van plan zijn kooldioxide-uitstoot te gebruiken om cement te maken.
Calix, een Australisch bedrijf, maakt cement met behulp van oververhitte stoom, die de cementdeeltjes modificeert en ze zuiverder en chemisch reactiever maakt. Het proces scheidt ook koolstofdioxide af, waardoor het gemakkelijker wordt om het gas op te vangen en uit de atmosfeer te houden.
Louisiana Tech University, zoals Novacem en Calera, maakt kalksteen helemaal weg; het gebruikt een pasta genaamd geopolymeer, die is gemaakt van vliegas, natriumhydroxide en kaliumhydroxide.
"Het stof zal uiteindelijk bezinken en een van deze ideeën zal werken, " zei Jennings.
Al vroeg was een van de grootste sceptici van Novacem het grootste particuliere bouwbedrijf in Groot-Brittannië, Laing O'Rourke. De directeur die verantwoordelijk was voor het bijhouden van veelbelovend universitair werk, Dheeraj Bhardwaj, hoorde via zijn wetenschappelijke connecties over het product van Novacem. Hij keek naar de chemie, dacht dat alles was uitgecheckt en bracht het idee een paar jaar geleden naar de voorzitter, die veel twijfels had. Het cement kon op geen enkele manier sterk genoeg zijn voor commercieel gebruik, zei hij. Het had kalksteen nodig. Toen het materiaal van Novacem 40 megapascal bereikte - de absolute minimale hoeveelheid kracht die nodig is voor structurele stabiliteit - dan is hij misschien geïnteresseerd.
Zeven dagen later raakte een klein stuk Novacem-cement in een bankschroefachtig instrument dat merkteken. Achtentwintig dagen later raakte het 60 megapascals. Bhardwaj bracht de resultaten vervolgens naar de voorzitter, die zei: "Laten we dit laten werken." Laing O'Rourke is nu een belangrijke Novacem-partner. Tegenwoordig nadert het cement na veel knutselen 80 megapascal. Beton gemaakt met Novacem-cement is qua sterkte vergelijkbaar met sommige standaardbeton.
Andere partners van Novacem zijn Lafarge, in Parijs, 's werelds grootste producent van bouwmaterialen, en Rio Tinto, een in Londen gevestigd wereldwijd mijnbedrijf dat Novacem graag helpt bij het opgraven van magnesiumsilicaten.
"De cementindustrie is nu op financieel belang, op wetenschappelijk belangrijke manieren, op dit moment", zei Jennings, verwijzend naar alle verschillende experimentele benaderingen. "De wereld verandert. Iedereen, inclusief alle cementbedrijven, moet zo groen mogelijk zijn en een beetje beter voor de wereld zorgen. ”
Jennings weigerde een bepaald nieuw cement goed te keuren. "Als Novacem werkt, " zei hij, "is het een zeer aantrekkelijk idee."
Bhardwaj is meer committal. Hij zei dat hij onlangs naar zijn engineeringteam ging. "Eerlijk gezegd, wees niet beleefd, " vertelde hij hen. “Zet elke vraag over de koolstof opzij. Denkt u dat dit iets is dat dicht bij Portlandcement ligt? 'Het antwoord verraste hem: ze zeiden dat het beter was. Waarom? Het was niet alleen sterk, maar het was puur wit. Portlandcement is licht grijs. "Je zou kleuren aan dit cement kunnen toevoegen, " zei Bhardwaj. "Stelt u zich eens voor dat u een kleur cementmuur in uw huis heeft die u wilde."
Het cement is een mooie witte tint, zoals Vlasopoulos opmerkte terwijl hij pronkte met de prototype cementfabriek van zijn bedrijf. Verwijzend naar de naburige biowetenschappelijke laboratoria, zei hij: "We zijn luider, " voegde eraan toe: "Ze genezen mensen daar; we genezen iets anders. 'Een kolossale machine voor hem, momenteel inactief, heeft lange pijpen die bonzen en rinkelen, alarmen die afgaan, en mixers die emmers van Vlasopoulos' creatie spugen en spugen.
Vlasopoulos was in een peppy bui en had zijn vriendin de dag ervoor net voorgesteld. (Ze zei ja.) In een hoek van de kamer stond wat hij 'ons museum' noemde. Op een kleine tafel lagen vroege stukjes Novacem-cement - ze zagen eruit als kinderblokken, gewoon stoffiger. "Dit was niet zo goed, " zei hij, terwijl hij een fragiel ogende hield die was afgebroken. "Nu weten we wat we doen." De fabriek kan ongeveer vijf ton cement per jaar produceren. Het bedrijf werkt ook aan een andere faciliteit die 200 ton per jaar zou produceren. Als alles goed gaat, wil het bedrijf zijn recept in licentie geven aan cementfabrikanten over de hele wereld.
Het grootste obstakel dat het bedrijf nog moet overwinnen, is geschiedenis. Portland cement werkt . Heeft altijd, sinds die middag in 1824 in de keuken van Joseph Aspdin. "Cement bestaat al heel lang, " zei Bhardwaj. “Mensen vertrouwen dat. Ze kunnen rondkijken in alle gebouwen die honderden jaren hebben overleefd. Dus voor Novacem zal het bewijs van duurzaamheid tijd kosten. Ze zullen langzaam moeten gaan. Als ik een brug of een gebouw moet bouwen met Novacem-cement, hoe overtuig ik mensen dan dat dat in orde is? Dat is de uitdaging. Niemand wil dat een brug valt. '
Op de vraag of hij een brug zou oversteken die met Novacem-cement was gebouwd, zei Bhardwaj: "Daar zou ik geen problemen mee hebben." Maar die brug is nog niet gebouwd.
Michael Rosenwald schreef over nanotechnologie en griepjagers voor Smithsonian . John Ritter woont in Pennsylvania.
