Nowa metoda opracowana przez Uniwersytet Północno-Zachodni wykorzystuje prąd elektryczny do zestalenia morskiego piasku, tworząc trwałe, przypominające skały konstrukcje, które mogą zastąpić kosztowne tradycyjne zabezpieczenia wybrzeża, takie jak falochrony.
Naukowcy z Northwestern University wykazali, że porażenie prądem może wzmocnić linię brzegową morza na pokolenia, łagodząc rosnące zagrożenie erozją w obliczu rosnącego poziomu mórz i zmian klimatycznych.
W swoim badaniu, opublikowanym niedawno w Komunikacja Ziemia i ŚrodowiskoNaukowcy zainspirowali się małżami, małżami i innymi organizmami morskimi zamieszkującymi muszle, które do budowy muszli wykorzystują minerały rozpuszczone w wodzie morskiej. W podobny sposób badacze wykorzystali te same naturalnie występujące, rozpuszczone minerały, aby utworzyć naturalny cement pomiędzy nasączonymi morzem ziarnami piasku. Zamiast jednak wykorzystywać energię metaboliczną, tak jak robią to mięczaki, naukowcy wykorzystali energię elektryczną do pobudzenia reakcji chemicznej.
W eksperymentach laboratoryjnych łagodny prąd elektryczny natychmiast zmienił strukturę morskiego piasku, przekształcając go w przypominającą skałę, nieruchomą substancję stałą. Naukowcy mają nadzieję, że strategia ta może zapewnić trwałe, niedrogie i zrównoważone rozwiązanie służące wzmocnieniu globalnych linii brzegowych.
„Ponad 40% światowej populacji żyje na obszarach przybrzeżnych. Ze względu na zmianę klimatu i wzrost poziomu morza erozja stanowi ogromne zagrożenie dla tych społeczności. W wyniku dezintegracji infrastruktury i utraty gruntów erozja powoduje na całym świecie szkody warte miliardy dolarów rocznie. Obecne podejścia do łagodzenia erozji obejmują budowanie konstrukcji ochronnych lub wstrzykiwanie zewnętrznych spoiw pod powierzchnię” – powiedział Alessandro Rotta Loria, adiunkt Louis Berger na Wydziale Inżynierii Lądowej i Środowiska w McCormick School of Engineering w Northwestern, który kierował badaniem.
„Moim celem było opracowanie podejścia zdolnego zmienić status quo w ochronie wybrzeża – takiego, które nie wymagałoby budowy konstrukcji ochronnych i mogłoby cementować podłoża morskie bez użycia prawdziwego cementu. Stosując łagodną stymulację elektryczną gleb morskich, systematycznie i mechanicznie udowodniliśmy, że możliwe jest ich cementowanie poprzez przekształcenie minerałów naturalnie rozpuszczonych w wodzie morskiej w stałe spoiwa mineralne – naturalny cement”.
Wyzwania w bieżących strategiach obrony wybrzeża
Od nasilających się ulew po podnoszący się poziom mórz – zmiany klimatyczne stworzyły warunki, które stopniowo powodują erozję wybrzeży. Według badania przeprowadzonego w 2020 r. przez Wspólne Centrum Badawcze Komisji Europejskiej: prawie 26% plaż na Ziemi zostanie zmytych do końca tego stulecia.
Aby złagodzić ten problem, społeczności wdrożyły dwa główne podejścia: budowanie konstrukcji ochronnych i barier, takich jak falochrony, lub wstrzykiwanie cementu do ziemi w celu wzmocnienia podłoży morskich, głównie składających się z piasku. Strategiom tym towarzyszy jednak wiele problemów. Te konwencjonalne metody są nie tylko niezwykle drogie, ale także nietrwałe.
„Ściany morskie również ulegają erozji” – stwierdziła Rotta Loria. „Z biegiem czasu piasek pod tymi ścianami ulega erozji, a ściany mogą w końcu się zawalić. Często konstrukcje zabezpieczające są wykonane z dużych kamieni, których koszt wynosi miliony dolarów za milę. Jednak piasek pod nimi może zasadniczo upłynnić się z powodu szeregu czynników środowiskowych, a te duże skały zostaną pochłonięte przez ziemię pod nimi.
„Wtłaczanie cementu i innych spoiw do gruntu ma szereg nieodwracalnych wad środowiskowych. Zwykle wymaga to również wysokich ciśnień i znacznych, wzajemnie powiązanych ilości energii”.
Ekologiczny proces elektrocementacji
Aby ominąć te problemy, Rotta Loria i jego zespół opracowali prostszą technikę, inspirowaną koralowcami i mięczakami. Woda morska naturalnie zawiera niezliczoną ilość jonów i rozpuszczonych minerałów. Kiedy do wody zostanie przyłożony łagodny prąd elektryczny (2 do 3 woltów), wywołuje on reakcje chemiczne. To przekształca niektóre z tych składników w stały węglan wapnia — ten sam minerał, którego mięczaki wykorzystują do budowy swoich muszli. Podobnie, przy nieco wyższym napięciu (4 wolty), składniki te można przekształcić głównie w wodorotlenek magnezu i hydromagnezyt, wszechobecny minerał występujący w różnych kamieniach.
Kiedy te minerały łączą się w obecności piasku, działają jak klej, wiążąc razem cząsteczki piasku. W laboratorium proces ten sprawdzał się również w przypadku wszystkich rodzajów piasków – od zwykłych piasków krzemionkowych i wapiennych po piaski żelazne, które często występują w pobliżu wulkanów.
„Po obróbce piasek wygląda jak skała” – powiedziała Rotta Loria. „Jest nieruchomy i solidny, a nie ziarnisty i niespójny. Same minerały są znacznie mocniejsze niż beton, więc powstały piasek może stać się mocny i solidny jak ściana morska.
Podczas gdy minerały tworzą się natychmiast po przyłożeniu prądu, dłuższe stymulacje elektryczne dają bardziej znaczące rezultaty. „Zauważyliśmy niezwykłe rezultaty już po kilku dniach stymulacji” – powiedziała Rotta Loria. „Następnie poddany obróbce piasek powinien pozostać na swoim miejscu i nie wymagać dalszych interwencji.”
Zrównoważone zastosowania i perspektywy na przyszłość
Rotta Loria przewiduje, że poddany obróbce piasek powinien zachować swoją trwałość, chroniąc wybrzeża i mienie przez dziesięciolecia. Mówi również, że nie ma potrzeby martwić się negatywnym wpływem na życie morskie. Napięcia stosowane w procesie są zbyt łagodne, aby je wyczuć. Inni badacze stosowali podobne procesy do wzmacniania struktur podmorskich, a nawet odbudowy raf koralowych. W tych scenariuszach żadne stworzenie morskie nie ucierpiało.
Jeśli społeczności zdecydują, że nie chcą już zestalonego piasku, Rotta Loria ma rozwiązanie również na to, ponieważ proces jest całkowicie odwracalny. Kiedy anoda i katoda akumulatora zostaną zamienione, elektryczność rozpuszcza minerały, skutecznie cofając proces.
„Minerały powstają, ponieważ lokalnie podnosimy pH wody morskiej wokół powierzchni międzyfazowej katodowej” – powiedziała Rotta Loria. „Jeśli zamienisz anodę z katodą, nastąpi miejscowe obniżenie pH, które rozpuszcza wcześniej wytrącone minerały”.
Proces ten stanowi niedrogą alternatywę dla metod konwencjonalnych. Po przeanalizowaniu liczb zespół Rotty Lorii szacuje, że jego proces kosztuje zaledwie 3–6 dolarów za metr sześcienny gruntu cementowanego elektrycznie. Bardziej znane, porównywalne metody, które wykorzystują spoiwa do przylegania i wzmacniania piasku, kosztują do 70 dolarów za tę samą objętość jednostkową.
Badania przeprowadzone w laboratorium Rotty Lorii pokazują, że to podejście może również leczyć popękane konstrukcje żelbetowe. Duża część istniejącej infrastruktury przybrzeżnej jest wykonana ze zbrojonego betonu, który rozpada się w wyniku złożonych skutków powodowanych przez podnoszenie się poziomu morza, erozję i ekstremalne warunki pogodowe. W przypadku pęknięcia tych struktur nowe podejście pozwala uniknąć konieczności całkowitej przebudowy infrastruktury. Zamiast tego jeden impuls prądu może wyleczyć potencjalnie destrukcyjne pęknięcia.
„Zastosowania tego podejścia są niezliczone” – stwierdziła Rotta Loria. „Możemy go użyć do wzmocnienia dna morskiego pod falochronami lub ustabilizowania wydm i utrzymania niestabilnych zboczy gleby. Moglibyśmy go również użyć do wzmocnienia konstrukcji ochronnych, fundamentów morskich i wielu innych rzeczy. Można to zastosować na wiele sposobów w celu ochrony obszarów przybrzeżnych”.
Następnie zespół Rotty Lorii planuje przetestować technikę poza laboratorium i na plaży.
Odniesienie: „Elektroda osadzanie cementu wapiennego z wody morskiej w morskich piaskach krzemionkowych” Andony Landivar Macias, Steven D. Jacobsen i Alessandro F. Rotta Loria, 22 sierpnia 2024 r., Komunikacja Ziemia i środowisko.
DOI: 10.1038/s43247-024-01604-3
Badanie zostało wsparte przez Biuro Badań Armii (numer grantu W911NF2210291) i Centrum Inżynierii Zrównoważonego Rozwoju i Odporności firmy Northwestern.
