"Weißt du, Zement ist überall", sagt Nikolaos Vlasopoulos, ein Umweltingenieur am Imperial College in London, während er in einem hell erleuchteten Konferenzraum in einem riesigen siebenstöckigen Gebäude sitzt, in dem das Thema Unterhaltung eine Rolle spielt. "Es ist überall um uns herum."
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Nikolaos Vlasopoulos 'Traum ist es, ein neues Material zu entwickeln, dessen Produktion im Gegensatz zu herkömmlichem Zement Kohlendioxid absorbiert . Im Erfolgsfall würde er dazu beitragen, einen wichtigen Faktor für den Klimawandel zu reduzieren - und einen kühnen Fortschritt in der Gebäudetechnik beanspruchen. (John Ritter) 
Die Pilotanlage von Novacem ist das erste Zementwerk in der Londoner Innenstadt seit der Römerzeit. (Alex Masi) 
Vlasopoulos arbeitete früher mit seinem Onkel in einer Zementfabrik und neckt ihn jetzt mit den Worten: "Du wirst mein Geschäft schließen." (Alex Masi) 
Novacem plant, seinen experimentellen Zement (oben: Musterblöcke) zunächst in Strukturen wie Hundehütten und Innenhöfen zu testen. (Alex Masi) 
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Letztes Jahr produzierte die Welt 3, 6 Milliarden Tonnen Zement - die Mineralmischung, die sich bei Zugabe von Wasser, Sand und anderen Materialien zu Beton verfestigt - und diese Menge könnte sich bis 2050 um eine Milliarde Tonnen erhöhen als Beton, bezogen auf das Gesamtvolumen, ist Wasser.
Die Tugenden von Zement, sagt Vlasopoulos, sind seit langem klar: Es ist billig, gießbar und wird, etwas unerklärlich, steinhart. Ein weiteres wichtiges Detail wird jedoch selten zur Kenntnis genommen: Zement ist verschmutzt. Nicht schmutzig, da es sich nicht von Ihren Kleidern löst - obwohl dieses Problem Bauarbeiter seit Jahrhunderten beschäftigt. Die Hauptzutat ist Kalkstein, hauptsächlich Calciumcarbonat, die Überreste geschälter Meerestiere. Das Rezept für die Herstellung von Zement sieht die Erhitzung des Kalksteins vor, der fossile Brennstoffe benötigt. Beim Erhitzen lässt Kalkstein Kohlendioxidgas in die Atmosphäre strömen, wo es Wärme speichert und zur globalen Erwärmung beiträgt. Die Zementproduktion ist für 5 Prozent der weltweit vom Menschen erzeugten Kohlendioxidemissionen verantwortlich. In den Vereinigten Staaten setzen nur der Verbrauch fossiler Brennstoffe (für Transport, Elektrizität, chemische Herstellung und andere Zwecke) und die Eisen- und Stahlindustrie mehr Treibhausgase frei. Und mit boomenden Ländern wie China und Indien, die ihren Aufstieg mit Zement konstruieren, zeichnet sich die Schmutzigkeit des Zements als einer der größten Nachteile der Globalisierung ab.
Wenn der enorme Beitrag von Zement zur Luftverschmutzung von der breiten Öffentlichkeit weitgehend übersehen wird, ist sich der 31-jährige Vlasopoulos dessen seit einiger Zeit bewusst. Er wuchs in Patras auf, einem griechischen Hafen. Sein Vater war Ingenieur und seine Mutter arbeitete in einer Bank. Während der Sommerferien von Vlasopoulos am Dimokrition Panepistimion Thrakis College, wo er Umweltingenieurwesen studierte, arbeitete er mit seinem Onkel in einer Zementfabrik. Das war ein Zufall. Seine Aufgabe war es, die Ausrüstung zu montieren, mit der die Kohlendioxidemissionen gemessen wurden. Sie waren hoch; Typischerweise produziert eine Fabrik fast eine Tonne Kohlendioxid für jede Tonne Zement. Vlasopoulos fand die Arbeit interessant, sah aber keinen Zement in seiner Zukunft. Es war langweilig, es war alt, es war schmutzig.
Dann erhielt einer seiner Professoren am Imperial College, an dem er einen Master in Ingenieurwissenschaften abschloss, eine Förderung, um eine neue Art von Zement zu untersuchen, der von einem australischen Unternehmen hergestellt wurde. Der Professor Christopher Cheeseman überredete Vlasopoulos, an dem Projekt mitzuarbeiten und einen Doktortitel zu erwerben. "Dies war eine Gelegenheit, gute Arbeit zu leisten", sagte Vlasopoulos in seiner typisch zurückhaltenden Art und Weise.
Die Menschen haben seit Beginn der Geschichte versucht, einen besseren Zement zu bauen. Vor mehr als 2.000 Jahren entwickelten die Römer eine Mischung aus Kalk, Vulkanasche und Steinbrocken, um Beton zu formen, aus dem Häfen, Denkmäler und Gebäude - der Klebstoff früherer Städte - einschließlich des Pantheons und des Kolosseums hergestellt wurden. In den 1820er Jahren erfand ein Steinmetz namens Joseph Aspdin in Leeds, England, etwa 300 Kilometer vom Imperial College entfernt, modernen Zement. Aspdin erhitzte eine Mischung aus fein gemahlenem Kalkstein und Lehm in seiner Küche. Nachdem er Wasser zugegeben hatte, härtete die Mischung aus. Voilà - der Baustein der industriellen Revolution wurde geboren. Da das Material wie ein beliebter Baustein von der Isle of Portland aussah, nannte Aspdin seine Erfindung Portlandzement. Das 1824 erteilte Patent betraf „eine Verbesserung der Art der Herstellung eines Kunststeins“.
Die australischen Entwickler hatten ein neues Rezept ausprobiert, bei dem Portlandzement mit Magnesiumoxid gemischt wurde. Sie hofften, die Kohlenstoffemissionen zu reduzieren, da Magnesiumoxid einen Teil des Kalksteins ersetzen kann und Magnesiumoxid nicht auf eine so hohe Temperatur erhitzt werden muss. Kalkstein muss auf 2600 Grad Fahrenheit erhitzt werden, aber Magnesiumoxid kann bei 1300 Grad für Zement hergestellt werden. Diese Temperatur kann mit Biomasse und anderen Brennstoffen erreicht werden, die weniger Kohlenstoff freisetzen, wodurch der Verbrauch fossiler Brennstoffe gesenkt wird.
Vlasopoulos stellte jedoch schnell fest, dass die Mischung die gesamten Kohlendioxidemissionen nicht senkte. In einigen Tests haben sich die Emissionen nahezu verdoppelt, da Magnesiumoxid selbst durch Erhitzen von Magnesiumcarbonaten erzeugt wird, wobei Kohlendioxid freigesetzt wird.
"Ich erinnere mich, dass ich sehr enttäuscht war, denn wenn Sie sehen, dass das Projekt, an dem Sie arbeiten, nicht genau so ist, wie Sie es sich vorgestellt haben, verlieren Sie die Motivation", sagte er. "Aber wir hielten es für ein sehr lohnendes Projekt, eine lohnende Idee, und wir haben versucht, einen anderen Weg zu finden, um das Problem zu lösen."
Zu der Zeit, als sich Vlasopoulos mit der Frage beschäftigte, suchten große Zementfirmen auf der ganzen Welt im Jahr 2004 nach neuen Wegen, um Portlandzement umweltfreundlicher zu machen. Die Hersteller fügten Stahlnebenprodukte wie Schlacke hinzu; Kohlenrückstände wie Flugasche; und andere Materialien, wie Magnesiumoxid, um die Zementmischung aufzufüllen, was weniger Portlandzement erfordert. Sie experimentierten mit mineralischen Zusätzen, um die zur Herstellung der Materialien erforderlichen Temperaturen zu senken.
Es ist jedoch schwierig, ein Produkt zu modifizieren, dessen Chemie nicht gut verstanden ist. "Wir haben nie genau gewusst, wie dieses Zeug hart wird", sagte Hamlin Jennings, Experte für Zementchemie und Leiter des MIT Concrete Sustainability Hub, einer von mehreren akademischen Initiativen zur Herstellung von "grünem" Zement. "Ich glaube nicht, dass es auf der Welt heutzutage Baustoffe gibt, die weniger verstanden werden als Portlandzement."
Während die Zementfirmen am Original bastelten, ging Vlasopoulos einen anderen Weg. "Man kann nur so viel mit Portlandzement machen, um es besser zu machen", sagte er. "Es ist was es ist. Es ist das Material, mit dem Sie beginnen. Wir mussten uns etwas anderes einfallen lassen. “Vlasopoulos mochte die Idee, Magnesiumoxid als Ersatz für den Kalkstein zur Bildung des Zements zu verwenden, aber es brauchte ein anderes Material, um es hart zu machen. Das Mischen von Magnesiumoxid allein mit Wasser würde es nicht tun - die Mischung wird matschig. Und er musste eine Magnesiumoxidquelle finden, die nicht so viel Kohlendioxid freisetzte. Als Materialklasse wählte er Magnesiumsilikate, kohlenstofffreie Verbindungen aus Talk, Serpentin, Olivin oder anderen Mineralien. Die weltweite Versorgung mit diesen Mineralien liegt bei 10.000 Milliarden Tonnen, ein wichtiger Faktor, denn wenn einem das Mehl ausgeht, können keine Kuchen mehr gebacken werden.
Vlasopoulos ist nicht gerade daran interessiert zu erklären, wie seine experimentelle Verbindung funktioniert. Seine geheime Soße ist vielleicht ein sehr lukratives Geheimnis. Es wurden mehrere Patente angemeldet. So viel wird er verraten: Vor einigen Jahren begann er, Magnesiumoxid mit anderen von ihm hergestellten chemischen Verbindungen und Wasser zu mischen. Die Mischung härtete zu einer kleinen Kugel aus. Er brachte es zu Cheeseman. "Sie konnten die Hitze fühlen, die von diesem kleinen Ball ausgeht", sagte Cheeseman. "Es passierte eindeutig etwas." Chemische Reaktionen feuerten. Energie wurde freigesetzt. Sie wurden nicht übermäßig aufgeregt. "Ich meine, das ist Zement, von dem wir hier sprechen - es ist nicht gerade das sexy Zeug der Welt", sagte Cheeseman. "Ich bin nicht mit Wagenrädern durch die Hallen gelaufen, aber es war interessant."
Die Chemikalien, die Vlasopoulos mit Magnesiumoxid und Wasser mischt, um den Zement härten zu lassen, sind Magnesiumcarbonate, die er durch Zugabe von Kohlendioxid zu anderen Rohstoffen herstellt. Das bedeutet, dass der Zement in einigen Szenarien nicht nur klimaneutral ist, sondern auch negativ. Für jede Tonne produzierten Zements von Vlasopoulos konnte eine zehntel Tonne Kohlendioxid absorbiert werden.
Schließlich gründete Vlasopoulos mit Cheesemans Hilfe die Firma Novacem, um einen neuen Zement zu entwickeln. Das Unternehmen mit mehr als einem Dutzend Mitarbeitern und Partnerschaften mit einigen der größten Zementunternehmen der Welt befindet sich in einem Gründerzentrum für High-Tech-Start-ups am Imperial College. Während es sich bei einigen anderen Unternehmen in der Einrichtung um Start-ups im Bereich Life Sciences handelt, die über Mikrobiologielabors mit Gensequenzierungsmaschinen und Sammlungen von Reagenzgläsern verfügen, ist das Labor von Novacem eine geräumige Anlage, in der laute Geräusche, viel Staub und Eimer um Eimer Zement erzeugt werden. Es ist das erste Zementwerk in Zentral-London seit den Tagen der Römer.
Arbeiter, die Schutzhelme, Schutzbrillen, Masken und weiße Laborkittel tragen, betreiben eine miniaturisierte Version eines Zementwerks, ähnlich dem, in dem Vlasopoulos in den Sommerferien gearbeitet hat.
Obwohl Novacem seine Verfahren immer noch verfeinert, arbeitet Novacem mit mindestens fünf anderen Unternehmen und Universitätszentren daran, einen umweltfreundlicheren Zement zu entwickeln. "Angesichts der heutigen Aufmerksamkeit für Kohlenstoff sind viele Unternehmer aufgetaucht", sagte Jennings vom MIT. „Sie sehen die Chance.“ Mit Zement, einer Branche mit einem jährlichen Umsatz von 170 Milliarden US-Dollar, fließen Investitionsgelder ein.
Ein kalifornisches Unternehmen namens Calera verfolgt vielleicht den ungewöhnlichsten Ansatz: Es nutzt Kohlendioxid aus einem Kraftwerk und mischt es mit Meerwasser oder Salzlösung, um Karbonate zu erzeugen, aus denen Zement hergestellt wird. Sie können Portlandzement zugesetzt werden, um einen Teil oder den gesamten Kalkstein zu ersetzen. Calera wird durch eine Investition in Höhe von 50 Millionen US-Dollar von Vinod Khosla unterstützt, einem Computeringenieur, der möglicherweise Silicon Valleys angesehenster und tiefsitzender Investor in grüne Technologien ist. „Wir machen unseren Zement tatsächlich aus CO2“, sagte Firmengründer Brent Constantz. „Wir nehmen CO2 auf, das in die Atmosphäre gelangt wäre, und verwandeln es in Zement.“ Die Technologie befindet sich derzeit noch in der Entwicklung. In Moss Landing, Kalifornien, wird eine Demonstrationsanlage errichtet, und in Zusammenarbeit mit einer chinesischen Gruppe wird eine Anlage neben einer errichtet Kohlebergwerk in der Inneren Mongolei, wo sie planen, Kohlendioxidemissionen zur Herstellung von Zement zu nutzen.
Das australische Unternehmen Calix stellt Zement mit überhitztem Dampf her, der die Zementpartikel modifiziert und sie sauberer und chemisch reaktiver macht. Das Verfahren scheidet auch Kohlendioxid ab, wodurch das Gas leichter aufgefangen und aus der Atmosphäre ferngehalten werden kann.
Die Louisiana Tech University beseitigt wie Novacem und Calera den Kalkstein vollständig. Es wird eine Paste namens Geopolymer verwendet, die aus Flugasche, Natriumhydroxid und Kaliumhydroxid besteht.
"Der Staub wird sich irgendwann setzen und eine dieser Ideen wird funktionieren", sagte Jennings.
Einer der größten Skeptiker von Novacem war schon früh das größte private Bauunternehmen in Großbritannien, Laing O'Rourke. Dheeraj Bhardwaj, der für die Überwachung der vielversprechenden Universitätsarbeit zuständige Manager, hörte durch seine wissenschaftlichen Verbindungen von Novacems Produkt. Er sah sich die Chemie an, dachte, alles sei überprüft und brachte die Idee vor einigen Jahren zum Vorsitzenden, der viele Zweifel hatte. Der Zement könne auf keinen Fall stark genug für die kommerzielle Nutzung sein, sagte er. Es brauchte Kalkstein. Wenn das Material von Novacem 40 Megapascal erreicht hat - das absolute Minimum an Festigkeit, das für die strukturelle Stabilität erforderlich ist -, ist er vielleicht interessiert.
Sieben Tage später traf ein kleines Stück Novacem-Zement in einem schraubstockartigen Instrument diese Marke. Achtundzwanzig Tage später erreichte es 60 Megapascal. Bhardwaj brachte die Ergebnisse dann zum Vorsitzenden, der sagte: „Lasst uns das zum Laufen bringen.“ Laing O'Rourke ist jetzt ein wichtiger Novacem-Partner. Heute nähert sich der Zement nach langem Basteln 80 Megapascal. Beton, der mit Novacem Zement hergestellt wurde, ist in seiner Festigkeit mit Standardbeton vergleichbar.
Zu den weiteren Partnern von Novacem zählen Lafarge in Paris, der weltweit größte Baustoffproduzent, und Rio Tinto, ein weltweit tätiges Bergbauunternehmen mit Sitz in London, das Novacem bei der Gewinnung von Magnesiumsilikaten unterstützen möchte.
"Die Zementindustrie ist derzeit in finanzieller und wissenschaftlich bedeutender Weise auf dem Vormarsch", sagte Jennings unter Bezugnahme auf die verschiedenen experimentellen Ansätze. "Die Welt ändert sich. Jeder, einschließlich aller Zementfirmen, muss so umweltfreundlich wie möglich sein und sich ein bisschen besser um die Welt kümmern. “
Jennings lehnte es ab, neuen Zement zu befürworten. "Wenn Novacem arbeitet", sagte er, "ist es eine sehr attraktive Idee."
Bhardwaj ist verbindlicher. Er sagte, er sei kürzlich zu seinem Ingenieurteam gegangen. "Ehrlich gesagt, sei nicht höflich", sagte er ihnen. „Lege alle Fragen zum Kohlenstoff beiseite. Glaubst du, das ist etwas in der Nähe von Portlandzement? “Die Antwort überraschte ihn: Sie sagten, es sei besser. Warum? Es war nicht nur stark, sondern auch rein weiß. Portlandzement ist leicht grau. "Sie könnten diesem Zement Farben hinzufügen", sagte Bhardwaj. "Stellen Sie sich vor, Sie hätten eine farbige Zementwand in Ihrem Haus, die Sie wollten."
Der Zement hat einen schönen Weißton, wie Vlasopoulos hervorhob, als er die Prototyp-Zementfabrik seines Unternehmens vorführte. In Bezug auf die benachbarten Biowissenschaftslabors sagte er: „Wir sind lauter“ und fügte hinzu: „Sie heilen die Menschen dort; Wir heilen noch etwas anderes. “Eine riesige Maschine vor ihm, die gerade im Leerlauf ist, hat lange Pfeifen, die klirren und klirren, Alarmsignale und Mixer, die Eimer von Vlasopoulos Schöpfung kippen und ausspucken.
Vlasopoulos war in einer schwungvollen Stimmung, nachdem er seiner Freundin am Tag zuvor einen Antrag gemacht hatte. (Sie sagte ja.) In einer Ecke des Raumes stand das, was er "unser Museum" nannte. Auf einem kleinen Tisch standen frühe Stücke Novacem-Zement - sie sahen aus wie Kinderblöcke, nur staubiger. "Das war nicht so gut", sagte er und hielt einen zerbrechlich aussehenden hoch, der abgebrochen war. „Jetzt wissen wir, was wir tun.“ Die Anlage kann pro Jahr etwa fünf Tonnen Zement produzieren. Das Unternehmen arbeitet auch an einer anderen Anlage, die 200 Tonnen pro Jahr produzieren würde. Wenn alles gut geht, beabsichtigt das Unternehmen, sein Rezept an Zementhersteller auf der ganzen Welt zu lizenzieren.
Das größte Hindernis, das das Unternehmen noch zu überwinden hat, ist die Geschichte. Portlandzement arbeitet . Seit diesem Nachmittag im Jahr 1824 immer in Joseph Aspdins Küche. "Zement gibt es schon sehr lange", sagte Bhardwaj. „Die Leute vertrauen dem. Sie können sich in allen Gebäuden umsehen, die Hunderte von Jahren überlebt haben. Für Novacem wird der Nachweis der Haltbarkeit einige Zeit dauern. Sie müssen langsam fahren. Wie kann ich Menschen davon überzeugen, dass dies in Ordnung ist, wenn ich eine Brücke oder ein Gebäude aus Novacem-Zement bauen muss? Das ist die Herausforderung. Niemand möchte, dass eine Brücke fällt. “
Auf die Frage, ob er eine mit Novacem-Zement gebaute Brücke überqueren würde, sagte Bhardwaj: „Damit hätte ich kein Problem.“ Aber diese Brücke wurde noch nicht gebaut.
Michael Rosenwald schrieb über Nanotechnologie und Grippejäger für Smithsonian . John Ritter lebt in Pennsylvania.
