Nowe badania przeprowadzone na Northwestern University wykazały, że niewielki porażenie prądem elektrycznym może wzmocnić linię brzegową morza na pokolenia, znacznie zmniejszając zagrożenie erozji spowodowane zmianami klimatycznymi i wzrostem poziomu morza.
W nowym badaniu naukowcy zainspirowali się małżami, omułkami i innymi organizmami morskimi zamieszkującymi muszle, które do budowy swoich muszli wykorzystują minerały rozpuszczone w wodzie morskiej.
Podobnie, naukowcy wykorzystali te same naturalnie występujące, rozpuszczone minerały, aby utworzyć naturalny cement pomiędzy nasiąkniętymi morzem ziarnami piasku. Jednak zamiast używać energii metabolicznej, jak robią to mięczaki, naukowcy użyli energii elektrycznej, aby pobudzić reakcję chemiczną.
W eksperymentach laboratoryjnych łagodny prąd elektryczny natychmiast zmienił strukturę morskiego piasku, przekształcając go w przypominającą skałę, nieruchomą bryłę. Naukowcy mają nadzieję, że ta strategia może zaoferować trwałe, niedrogie i zrównoważone rozwiązanie dla wzmocnienia globalnych linii brzegowych.
Badanie zostanie opublikowane w czwartek (22 sierpnia) w czasopiśmie Communications Earth and the Environment, wydawanym przez Nature Portfolio.
„Ponad 40% światowej populacji żyje na obszarach przybrzeżnych” — powiedział Alessandro Rotta Loria z Northwestern, który kierował badaniem. „Z powodu zmiany klimatu i wzrostu poziomu morza erozja stanowi ogromne zagrożenie dla tych społeczności. Poprzez rozpad infrastruktury i utratę ziemi erozja powoduje szkody warte miliardy dolarów rocznie na całym świecie. Obecne podejścia do łagodzenia erozji obejmują budowę konstrukcji ochronnych lub wstrzykiwanie zewnętrznych spoiw pod powierzchnię.
„Moim celem było opracowanie podejścia, które mogłoby zmienić status quo w ochronie wybrzeża — takiego, które nie wymagałoby budowy konstrukcji ochronnych i mogłoby cementować podłoża morskie bez użycia rzeczywistego cementu. Stosując łagodną stymulację elektryczną do gleb morskich, systematycznie i mechanistycznie udowodniliśmy, że możliwe jest ich cementowanie poprzez przekształcanie naturalnie rozpuszczonych minerałów w wodzie morskiej w stałe spoiwa mineralne — naturalny cement”.
Rotta Loria jest profesorem nadzwyczajnym Louis Berger Civil and Environmental Engineering w McCormick School of Engineering na Northwestern. Andony Landivar Macias, były doktorant w laboratorium Rotty Lorii, jest pierwszym autorem artykułu. Steven Jacobsen, mineralog i profesor nauk o Ziemi i planetach w Weinberg College of Arts and Sciences na Northwestern, był również współautorem badania.
Mury morskie również ulegają erozji
Od nasilających się burz deszczowych po rosnące poziomy mórz, zmiany klimatu stworzyły warunki, które stopniowo erodują linie brzegowe. Według badania z 2020 r. przeprowadzonego przez Wspólne Centrum Badawcze Komisji Europejskiej, do końca tego stulecia zostanie zmyte prawie 26% plaż na Ziemi.
Aby złagodzić ten problem, społeczności wdrożyły dwa główne podejścia: budowanie konstrukcji ochronnych i barier, takich jak mury morskie, lub wstrzykiwanie cementu do gruntu w celu wzmocnienia podłoży morskich, w większości składających się z piasku. Jednak tym strategiom towarzyszą liczne problemy. Te konwencjonalne metody są nie tylko niezwykle drogie, ale również nietrwałe.
„Mury przeciwpowodziowe również cierpią z powodu erozji” — powiedział Rotta Loria. „Więc z czasem piasek pod tymi murami ulega erozji, a mury mogą ostatecznie zawalić się. Często konstrukcje ochronne są wykonane z dużych kamieni, które kosztują miliony dolarów za milę. Jednak piasek pod nimi może zasadniczo ulec upłynnieniu z powodu szeregu czynników stresogennych ze środowiska, a te duże skały są pochłaniane przez grunt pod nimi.
„Wstrzykiwanie cementu i innych spoiw do gruntu ma szereg nieodwracalnych wad środowiskowych. Zazwyczaj wymaga również wysokiego ciśnienia i znacznych połączonych ilości energii”.
Przekształcanie jonów w klej
Aby ominąć te problemy, Rotta Loria i jego zespół opracowali prostszą technikę, zainspirowaną koralowcami i mięczakami. Woda morska naturalnie zawiera mnóstwo jonów i rozpuszczonych minerałów. Gdy do wody zostanie przyłożony łagodny prąd elektryczny (2 do 3 woltów), wyzwala on reakcje chemiczne. To przekształca niektóre z tych składników w stały węglan wapnia — ten sam minerał, którego mięczaki używają do budowy swoich muszli. Podobnie, przy nieco wyższym napięciu (4 wolty), te składniki mogą być głównie przekształcone w wodorotlenek magnezu i hydromagnezyt, wszechobecny minerał występujący w różnych kamieniach.
Gdy te minerały łączą się w obecności piasku, działają jak klej, wiążąc ze sobą cząstki piasku. W laboratorium proces ten działał również ze wszystkimi rodzajami piasku – od zwykłych piasków krzemionkowych i wapiennych po piaski żelaziste, które często występują w pobliżu wulkanów.
„Po obróbce piasek wygląda jak skała” – powiedział Rotta Loria. „Jest nieruchomy i stały, a nie ziarnisty i niespójny. Same minerały są znacznie mocniejsze niż beton, więc powstały piasek może stać się tak mocny i stały jak mur morski”.
Podczas gdy minerały tworzą się natychmiast po zastosowaniu prądu, dłuższe stymulacje elektryczne przynoszą bardziej znaczące rezultaty. „Zauważyliśmy niezwykłe rezultaty już po kilku dniach stymulacji” — powiedział Rotta Loria. „Następnie obrobiony piasek powinien pozostać na miejscu, bez konieczności dalszych interwencji”.
Przyjazne dla środowiska i odwracalne
Rotta Loria przewiduje, że zabezpieczony piasek powinien zachować swoją trwałość, chroniąc linie brzegowe i mienie przez dziesięciolecia.
Rotta Loria mówi również, że nie ma potrzeby martwić się negatywnymi skutkami dla życia morskiego. Napięcia stosowane w tym procesie są zbyt łagodne, aby je poczuć. Inni badacze stosowali podobne procesy, aby wzmocnić podmorskie struktury, a nawet przywrócić rafy koralowe. W tych scenariuszach żadne morskie stworzenia nie ucierpiały.
A jeśli społeczności zdecydują, że nie chcą już zestalonego piasku, Rotta Loria ma na to rozwiązanie, ponieważ proces jest całkowicie odwracalny. Gdy anoda i katoda baterii są zamieniane, elektryczność rozpuszcza minerały – skutecznie cofając proces.
„Minerały powstają, ponieważ lokalnie podnosimy pH wody morskiej wokół interfejsów katodowych” – powiedział Rotta Loria. „Jeśli zamienimy anodę z katodą, to nastąpią lokalne redukcje pH, które rozpuszczą wcześniej wytrącone minerały”.
Konkurencyjna cena, niezliczone zastosowania
Proces ten oferuje niedrogą alternatywę dla konwencjonalnych metod. Po przeliczeniu liczb zespół Rotty Lorii szacuje, że jego proces kosztuje zaledwie od 3 do 6 dolarów za metr sześcienny elektrycznie cementowanego gruntu. Bardziej ugruntowane, porównywalne metody, które wykorzystują spoiwa do wiązania i wzmacniania piasku, kosztują do 70 dolarów za tę samą objętość jednostkową.
Badania w laboratorium Rotty Loria pokazują, że to podejście może również leczyć spękane konstrukcje wykonane z żelbetonu. Duża część istniejącej infrastruktury brzegowej jest wykonana z żelbetonu, który rozpada się z powodu złożonych efektów spowodowanych wzrostem poziomu morza, erozją i ekstremalnymi warunkami pogodowymi. A jeśli te konstrukcje pękną, nowe podejście omija potrzebę całkowitej przebudowy infrastruktury. Zamiast tego jeden impuls elektryczny może leczyć potencjalnie destrukcyjne pęknięcia.
„Zastosowania tego podejścia są niezliczone” – powiedział Rotta Loria. „Możemy go użyć do wzmocnienia dna morskiego pod murami morskimi lub stabilizacji wydm i utrzymania niestabilnych zboczy gruntowych. Możemy go również użyć do wzmocnienia konstrukcji ochronnych, fundamentów morskich i wielu innych rzeczy. Istnieje wiele sposobów zastosowania tego w celu ochrony obszarów przybrzeżnych”.
Następnie zespół Rotty Lorii planuje przetestować tę technikę poza laboratorium i na plaży.
Badanie „Elektrodepozycja cementu wapiennego z wody morskiej w morskich piaskach krzemionkowych” zostało dofinansowane przez Army Research Office (numer grantu W911NF2210291) oraz Northwestern's Center for Engineering Sustainability and Resilience.