MIT'den Çevre Dostu Çimento: Yılda 4 Gigaton Karbon Salınımını Engelleyecek Teknoloji

Profesör Yet-Ming Chiang ve eski doktora sonrası araştırmacı Leah Ellis tarafından kurulan Sublime Systems, dünyanın en yaygın malzemelerinden biri olan çimentoyu sürdürülebilir bir şekilde üretmenin yolunu geliştirdi. Şu anda, yıllık 30.000 ton düşük karbonlu çimento üretecek büyük ölçekli bir tesisin inşasına devam ediyorlar...

Çimento, yüksek binalardan otoyollara kadar pek çok alanda kullanılan yaygın bir malzemedir. Ancak, endüstriyel malzemeler arasında en fazla karbondioksit salınımına neden olanlardan biridir. Geleneksel çimento üretimi, 1450 santigrat derecenin üzerinde sıcaklık gerektiren, yüksek enerji tüketen bir süreçtir. Bu işlem sonucunda atmosfere büyük miktarda ısı tutucu karbondioksit salınır. Bu nedenle uzmanlar, çimento üretimini daha sürdürülebilir hale getirecek çözümler geliştirmeye çalışıyor.

Cement Application, photo by MIT News

Günümüzde çimento, son derece yüksek sıcaklıklarda fırınlarda üretilirken, antik Romalıların böyle bir imkânı yoktu. Ancak, Roma’yı ziyaret eden herkes, antik çimentonun hala son derece dayanıklı olduğunu rahatlıkla söyleyebilir.

MIT’nin yan kuruluşu Sublime Systems’taki araştırmacılar, Romalıların yüzyıllar önce bu sırrı çözdüğünü fark etti. Onların çimentosu son derece dayanıklıydı ve üretiminde aşırı yüksek sıcaklıklara ihtiyaç duyulmuyordu. Bu keşiften yola çıkan ekip, Romalıların başarısını modern teknolojiyle nasıl yeniden hayata geçirebileceklerini araştırmaya başladı.

Sublime Systems'in kurucu ortağı ve CEO'su Leah Ellis şöyle dedi: "Romalılar bu aşırı sıcaklıklara ulaşamadılar, fakat çimentolarının ne kadar sert ve dayanıklı olduğunu gösterdiler. Şimdi ise, modern çimentonun beklenen özelliklerini karşılayacak şekilde, 2.000 yıllık bir inovasyona sahibiz."

Sublime Systems, elektrokimyanın gücünü kullanarak yeni bir çözüm geliştirdi. Yüksek enerji gerektiren fırın yerine, düşük sıcaklıkta çalışan elektrik destekli bir reaksiyon süreci tasarladılar.

Sublime'ın Elektrokimyasal Süreci

Çimento üretimi, dünya çapındaki insan kaynaklı CO₂ emisyonlarının yaklaşık %7’sini oluşturuyor. Portland çimentosunun büyük karbon ayak izinin en önemli sebebi, bileşiminin neredeyse %50’si karbondioksitten oluşan kireç taşıdır. Kireç taşının kirece dönüşmesi için gereken yüksek ısı, bu karbonun büyük kısmının açığa çıkmasına neden olarak toplam emisyonlara önemli ölçüde katkıda bulunur.

Sublime'ın elektrokimyasal süreci, yüksek ısı veya kireç taşı kullanmadan çimento üretir.

"Günümüzde bildiğimiz şekliyle çimento, modern medeniyetin temelini oluşturdu, ancak artık yeniden keşfedilmesi gerekiyor. Her yıl yaklaşık 4 gigaton emisyona neden olan çimentonun, 2050 yılına kadar 6 gigatona ulaşması bekleniyor. Geliştirdiğimiz çözümün, bu 4 gigatonluk emisyonu mümkün olan en kısa sürede azaltmak için teknik olarak uygulanabilir bir yol sunduğuna inanıyorum." dedi startup'ın kurucusu Yet-Ming Chiang.

Sublime’ın yöntemi, bol miktarda bulunan kalsiyum silikat kayasını elektrokimya kullanarak oda sıcaklığında çimento bileşenlerine dönüştürür. Bu süreç, daha sonra kurutulup birleştirilerek Sublime’ın çimentosunu oluşturan reaktif kalsiyum ve silikatlar üretir.

İlginçtir ki, nihai ürün, inşaat kullanımı için endüstri standartlarını karşılayan Portland çimentosuyla mukavemet ve yapı açısından eşleşir.

Pillerden Çimentoya

Ellis, Kanada hükümetinden dilediği yerde eğitim almasını sağlayan bir burs kazandıktan sonra, 2018 yılında doktora sonrası araştırmacı olarak MIT’ye katıldı.

"Yet-Ming Chiang ile çalışmayı seçmemin nedenlerinden biri, bilimsel çalışmalarında son derece yaratıcı ve faydalı çözümler üretme konusundaki etkileyici geçmişiydi." diyor Ellis.

"İstediğim iş türü buydu: bir şeyler keşfetmek, sınırları zorlamak ve sorunları çözmek." Ellis

Her ikisi de piller alanında uzman olmasına rağmen, Ellis, Chiang’in farklı bir konu üzerine çalışma önerisini kabul etti. Chiang ise çimento üretimini daha sürdürülebilir hale getirmek için elektrokimyanın potansiyelini keşfetmeyi önerdi.

"Çimento, endüstriyel malzemeler arasında en büyük CO₂ salınımına neden olan madde olup, beton ise sudan sonra hacim açısından dünyanın en bol bulunan malzemesidir. Ancak, üretiminin nasıl elektrikleştirilebileceği konusunda pek fazla ilgi gösterilmemişti." diyor Chiang.

Ellis ve lisansüstü öğrencisi Andres Blades, ucuz ve yenilenebilir elektriğin yükselişinden yararlanarak daha sürdürülebilir bir üretim süreci geliştirmek amacıyla çimento kimyası ve üretimiyle ilgili literatürü incelemeye başladılar. Araştırmaları, temel kimya ve teknolojik yaklaşımları keşfetmekten, ekonomik ve endüstriyel analizlere kadar genişledi.

"Benim sloganım, izin verdikleri sürece elimden gelenin en iyisini yapmaya çalışmaktır." Ellis

"Kendimi vazgeçilmez kılmak için çok çaba harcadım. Müşterilerle konuşarak, sektörü ve düşük karbonlu çimentodan ne beklemeleri gerektiğini, endişelerini ve düzenleyici ortamı anlamaya başladım. Bu anlayışla ilerlemeye başladım ve o zamandan beri durmaksızın devam ediyorum." diyor Ellis.

Kurucular, yaklaşımlarının potansiyel taşıdığına karar verdikten sonra araştırmalarını Ulusal Bilimler Akademisi Bildirileri‘nde yayınladılar ve şirketlerini Mart 2020’de kurdular. Covid-19 kesintileriyle mücadele eden ekip, patent başvurularını MIT Teknoloji Lisanslama Ofisi’nden lisansladı ve bilimsel kurucuların potansiyel müşterilerle iletişim kurmasına yardımcı olan MIT i-Corps programına katıldı.

Ellis, “MIT’de pek çok kaynak mevcut. Burası gerçek bir entelektüel oyun alanı ve bir şeyler başlatmayı oldukça kolaylaştırıyor. Bir şirket kurmanın belirli bir yol haritası yok; bu sürekli bir keşif süreci ve MIT’de keşfedecek çok şey var.” diyor.

Portland çimentosunun büyük karbon ayak izinin temelinde, ağırlığının neredeyse %50’sini oluşturan CO₂ içeren kireç taşı kullanımı yer alıyor. Bu CO₂’nin büyük bir kısmı, kireç taşı yüksek sıcaklıklarda ısıtılarak kirece dönüştürüldüğünde serbest kalıyor. Isıtma işlemi ayrıca, elektrikle çalıştırılması son derece zor olan 1.450°C sıcaklıklar gerektirdiği için, kendi başına büyük miktarda CO₂ üretir.

MIT'de Sublime ekibi, elektrokimya kullanarak ortam sıcaklığında kalsiyum silikat kayalarını parçalayan bir elektrokimyasal işlem yarattı. Reaksiyon, bol miktarda ham maddeyle çalışıyor ve kurutulup Sublime'ın çimentosuna karıştırılan reaktif kalsiyum ve silikatlar oluşturuyor.

Karışım, Portland çimentosuyla aynı son mukavemete ve sertleştirilmiş fazlara sahip ve inşaatta kullanılmasına izin veren endüstrideki standart bir performans spesifikasyonunu karşılıyor.

"Bildiğimiz kadarıyla, Portland çimentosu için doğrudan değiştirilebilen bir ürün üretmek için tek gerçek sıfır çözümüz, çünkü fosil yakıt kullanmıyoruz ve kireç taşı kullanmıyoruz, bu nedenle Portland çimentosu üretiminden kaynaklanan tüm emisyonlardan kaçınabiliyoruz" diyor Ellis.

Startup'ın Tesisi 2026'da Faaliyete Geçecek

Sublime Systems, Boston'ın en büyük net sıfır ticari binasında çimentosunu başarıyla kullanarak önemli bir dönüm noktasına ulaştı. Seaport bölgesindeki bu sürdürülebilir bina projesi, Mayıs ayında inşasında 3 ton Sublime çimento kullandı.

Şirket şu anda yılda 30.000 ton çimento üretmek üzere tasarlanmış, Massachusetts, Holyoke'de büyük ölçekli bir üretim tesisi inşa ediyor. Tesisin 2026 gibi erken bir tarihte faaliyete geçmesi öngörülüyor.

Ellis, basın bülteninde "Holyoke tesisi, yılda bir milyon tonluk tesise ulaşmak için tekrarlayabileceğimiz bir modül olacak şekilde tasarlandı. Bu, ölçeklendirme riskini ortadan kaldırmamızı ve aynı anda dünyanın her yerine konuşlandırmamızı sağlayacak" dedi.

İnşaat malzemelerini çevre dostu yapmak için hızlı bir araştırma ve geliştirme devam ediyor. Yakın zamanda, Tokyo Üniversitesi araştırmacıları kullanılmış beton kullanarak ve içine hapsedilmiş karbondioksit ekleyerek dayanıklı tuğlalar yaptılar. İlginç bir şekilde, bu tuğlalar binalar ve kaldırımlar yapmak için kullanılabilir.

by Mrigakshi Dixit | IE & MIT News