コンクリートは人類の最も印象的な記念建造物の多くを生み出してきたが、炭素排出の主要な要因でもある。
新たな研究は、コンクリートの主要原料の一つだけでも火山岩に置き換えれば、その炭素排出をほぼ3分の2削減できると主張している。
火山岩をコンクリートへと変える工程は、熱水環境で岩石が固結する仕組みに似ており、研究者にとって重要な手がかりとなっている。
新たな研究によれば、コンクリートの主要原料の一つのみを火山岩に置き換えるだけで、この素材の製造時の炭素排出をほぼ3分の2削減できる可能性がある。
コンクリートは、ローマのパンテオン、シドニーのオペラハウス、フーバーダムなど、数多くの建造物を生み出してきた。この人工の岩は都市や道路を覆い、風力発電所や太陽光パネルの基礎を支えており、米国内外でのCOVID復興投資に支えられたインフラ事業において、トン単位で流し込まれることになる。
しかしそれは、気候変動対策にとって高い代償を伴う。その理由は、セメントにある。セメントは砂、砂利、水と混ぜ合わせてコンクリートを作る結合材であり、地球温暖化への主要な産業由来の寄与源の一つに数えられている。
「コンクリートが至る所で使われているのは、最も安価な建築材料の一つであり、加工が容易で、ほぼどのような形状にも成形できるからです」と、スタンフォード大学で地球物理学の准教授を務めるティツィアナ・ヴァノリオは述べる。
しかし、セメントの製造は人間活動に関連する年間二酸化炭素排出量の最大8%を排出しており、都市化や経済発展が新たな建物やインフラの建設を進めるため、今後数十年で需要の増加が見込まれている。
「人為的な炭素排出を壊滅的な気候変動を回避するために必要な水準まで引き下げるなら、セメントの製造方法を変える必要があります」と、ヴァノリオは述べる。
サンゴ礁、ロブスターの殻、シャコ
コンクリートのCO2問題は石灰石から始まる。石灰石は主に炭酸カルシウムからなる岩石である。現代のコンクリートの主要な練り材料であるポルトランドセメントを作るには、石灰石を採掘・粉砕し、粘土や少量の他の材料とともに巨大なキルンで高温焼成する。この加熱には通常、石炭やその他の化石燃料を燃やすことが伴い、コンクリートに関連する炭素排出の3分の1以上を占めている。
加熱によって化学反応が起こり、ビー玉ほどの大きさの灰色の塊が生成される。これはクリンカーとして知られ、その後粉砕されて、私たちがセメントとして認識する細かい粉末になる。この反応では、石灰石の中に数億年間閉じ込められたままであったかもしれない炭素も放出される。この工程が、コンクリート製造において残るCO2排出の大部分を占めている。
ヴァノリオと共同研究者たちは現在、CO2を排出する化学反応をなくしたセメントの試作に取り組んでいる。その方法は、必要な構成要素をすべて含みながら炭素は一切含まない火山岩を用いてクリンカーを作るというものだ。
地球上で最も多く使われている建築材料として、コンクリートは長く刷新の対象とされてきた。研究者や企業は、サンゴ礁、ロブスターの殻、そしてシャコのハンマー状の棍棒から、新たな配合のヒントを得てきた。ほかにも、クリンカーの一部を石炭火力発電所のフライアッシュなどの産業廃棄物で置き換えたり、回収した二酸化炭素を混合物に注入したりして、コンクリートの気候への影響を減らそうとする取り組みがある。
ジョー・バイデン大統領は、2030年までに米国の温室効果ガス排出量を2005年の水準から半減させるため、セメント製造における炭素回収の拡大と水素燃料の利用を求めている。
石灰石を使わない
ヴァノリオは、石灰石を完全に用いず、世界の多くの火山地域で採掘可能な岩石から始めることを提案している。「この岩石を粉砕し、加熱してクリンカーを製造すればよいのです。現在、石灰石からクリンカーを作るのに使われている設備やインフラをそのまま利用できます」と彼女は述べる。
この低炭素クリンカーに熱水を混ぜると、セメントへと変わるだけでなく、顕微鏡で観察すると絡まった繊維のように見える、長く絡み合った分子鎖の成長も促される。同様の構造は、熱水環境で自然に固結した岩石、すなわち地表のすぐ下で沸騰するほど熱い水が循環する場所の岩石や、腐食性の海水や荒波に2,000年間耐えてきたローマの港湾コンクリートにも見られる。現代のコンクリートであれば、通常は数十年で崩れてしまうような環境である。
現代のコンクリート構造物で、ひび割れを防ぐために一般的に用いられる鉄筋と同様に、これらの微細な鉱物繊維は、この素材が本来持つ脆さに対抗する。
「コンクリートは引っ張られるのを嫌います。何らかの補強がなければ、応力を受けて曲がる前に割れてしまうのです」と、ローマの海洋コンクリートにおける微細構造、および低炭素社会への移行における岩石物理学の役割に関する近年の論文の責任著者であるヴァノリオは述べる。現在、大半のコンクリートは大規模に鋼材で補強されている。微細構造に関する研究、ならびに岩石物理学の役割に関する研究の責任著者。現在、大半のコンクリートは大規模に鋼材で補強されている。
「私たちの考えは、繊維状の微細構造が岩石をどのように効果的に補強するのか、またそれを生み出す自然条件を学ぶことで、ナノスケールでコンクリートを補強することです」と彼女は述べる。
治癒と回復力から学ぶこと
ヴァノリオが構想する、火山岩をコンクリートに変えるプロセスは、熱水環境で岩石が固結する仕組みに似ている。火山の周辺や活発なプレート境界の上部でしばしば見られる熱水条件では、水を強力な溶媒として用いることで、家庭のオーブンより高温でない温度で、岩石が速やかに反応し再結合できる。
皮膚が治癒するように、地殻の最外層にある亀裂や断層は、鉱物と熱水の反応によって時間をかけて固結する。「自然は、生物の生命を模倣する革新的な素材にとって大きな着想源となってきました」とヴァノリオは述べる。「私たちは、治癒や損傷に対する回復力を可能にする地球の過程からも着想を得ることができます」。
レンガや鍛造金属からガラスやプラスチックに至るまで、人類は長きにわたり、地球の岩石循環を駆動するのと同じ力、すなわち熱、圧力、水を用いて素材を作ってきた。多くの考古学的・鉱物学的研究は、古代ローマ人が、火山灰が自然に水と混ざって固まる様子を観察することで、火山灰を利用する方法を学んだ可能性を示している。これは、既知で最古のコンクリートの配合につながったとされる。
「今日、私たちは21世紀の技術と環境影響に関する知見というレンズを通して、固結を観察する機会を得ています」とヴァノリオは述べる。
ヴァノリオは、材料科学・工学教授のアルベルト・サレオと共同で、地質学を模倣するにとどまらず、そのプロセスをナノスケールの工学を用いて操作し、特定の結果や機械的特性を得る段階へと進めた。「セメントはナノスケールで設計可能であり、その規模でも研究されるべきだという認識が、ますます明らかになってきています」とサレオは述べる。
コンクリートの欠陥を活かす
セメントの特性の多くは、微小な欠陥や、異なる成分間の結合の強さに依存する、とサレオは述べる。粉砕された岩石の固結中に成長し絡み合う微細な繊維は、締め付けられたロープのように作用し、強度を与える。「私たちは、材料は人間のようなものだとよく言います。面白いのは、その中にある欠陥なのです」と彼は述べる。
2019年、サレオは幼少期にローマで育つ中で目にした古代コンクリートへの尽きない関心から、ヴァノリオに連絡を取った。ヴァノリオ自身の岩石物理学への道のりは、ローマ・コンクリートが初めて工学的に開発されたカルデラの中心にあるナポリの港町での幼少期に、地殻の躍動を体験したことに始まる。
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それ以来、サレオは、地質学的過程に着想を得た低炭素クリンカーの研究を、プラスチック素材に基づく低コストの太陽電池やエネルギー貯蔵用の電気化学デバイスなど、彼の研究グループの持続可能性に関するプロジェクトと論理的に合致するものとみなすようになった。
「低炭素クリンカーについて考えることは、大気中に放出するCO2の量を減らすもう一つの方法です」と彼は述べる。しかし、これはまだ始まりにすぎない。「地球は、高温・高圧の下で物質が混ざり合う巨大な実験室です。ほかにどれほど多くの興味深く、最終的に有用な構造が存在しているか、誰にもわかりません」。
出典：スタンフォード大学
