Vil lage selvhelende, miljøvennlig sement uten CO2-utslipp

Ny nanoforskning kan føre verden et skritt nærmere miljøvennlig sement uten CO2-utslipp. Forskningen kan kanskje også gi oss selvlegende bein og et stoff som kan hindre forvitring av både kirkebygg og skulpturer.

NIDAROSDOMEN: Når fysikerne har funnet den grunnleggende forklaringen på hvorfor monumenter som Nidarosdomen sprekker i nanoskala, vil det være mulig å legge på selvlegende stoffer.Foto: Colourbox

Fysikere ved Universitetet i Oslo skal nå lede  et svært europeisk forskningsprosjekt, NanoHeal, til 40 millioner kroner som skal undersøke og beregne hvordan sandkorn og mineralkorn reagerer sammen på nanonivå. Det oppstår helt spesielle krefter når kornene ligger så tett som én til ti nanometer fra hverandre. En nanometer er en milliontedels millimeter. Da er vi nede på molekylnivå.

– Organiske stoffer (som betyr at de inneholder karbon) kan påvirke hvordan mineralkorn reagerer og binder seg sammen. Vi vil undersøke hvordan kreftene oppstår mellom kornene og hvordan de sveises sammen og detter fra hverandre som korn i sandslott. Da må vi ha en grunnleggende forståelse i nanoskala. Målet vårt er å lage naturlige materi-aler som heler seg selv, forteller lederen av NanoHeal, professor Dag Dysthe på Fysisk institutt ved Universitetet i Oslo. Med seg har han universiteter fra fem land, samt aktører fra sement- og oljeindustrien.

Den nye kunnskapen deres kan føre til tre store ting: Miljøvennlig sement uten CO2-utslipp, sem-ent som hjelper ødelagte bein å reparere seg selv, og et stoff som kan hindre forvitring av både kirkebygg og skulpturer.

NANO: Dag Dysthe skal bruke avanserte instrumenter og simuleringer for å forstå hvordan stoffer kan limes sammen i nanoskala. Foto: Yngve Vogt

Sement uten drivgassutslipp

La oss starte med sementen.

Dagens sementproduksjon står for fem prosent av verdens CO2-utslipp. For å lage sement må kalkstein, som er en viktig bestanddel i sement, varmes opp til 1500 grader. En uheldig konsekvens er at oppvarmingen i seg selv krever mye energi. Under den kjemiske prosessen slipper kalksteinen dessuten ut enorme mengder CO2.

– Vi ønsker nå å fremstille sement på en mer miljøvennlig måte, forteller Dag Dysthe.

En mulighet er å bruke magnesiumholdige mat-erialer. Slike bergarter trenger ikke å varmes opp like mye. Da brukes mindre energi. Dessuten slipper bergartene ikke ut ett eneste gram CO2 under produksjonen av sement. Det eneste aberet er at disse bergartene ikke er like jevnt fordelt på jorda som kalkstein.

En av de mange inspirasjonskildene til Dag Dysthe er fra det geologiske feltet Feragen et par mil øst for Røros. For noen år siden oppdaget professor i geologi Håkon Austrheim naturlig betong rett utenfor gruvegangene på Feragen, og for dem som ikke kjenner forskjellen på sement og betong: Sementen binder sammen stein og grus. Da får man betong. Sement er altså bindemiddelet i betong.

– Austrheim fant til og med betong i myren. Betongklumpene vokste helt naturlig.

Spørsmålet er naturlig nok hvordan betongen ble dannet.

– Det ser ut til at betongen ble dannet av kvarts fra morenemassen satt sammen av magnesium-holdige mineraler som var blitt vasket ut fra gruvegangen. Disse mineralene har fungert helt naturlig som sement.

Selvlegende stoffer

Forskerne ønsker nå å forstå nærmere hva som skjer når partikler limes sammen på nanonivå. Denne kunnskapen er ikke viktig bare for sementindustrien. De ønsker også å bruke den nye kunnskapen til å forstå hvorfor det er så mange skader på kirker og monumentale bygninger i Europa.

– Vi lurer på hvorfor det av og til faller biter fra Nidarosdomen og hvorfor det oppstår sprekker i kleberstein og kalksteinsmonumenter.

I utgangspunktet er det ikke mye plass i en sprekk, men hvis det kommer salt fra sjøsprut, kan det hende at en liten nanobit salt får plass i et hulrom. Når nanobiten reagerer med mineralet og sprenger på, dytter den bort alle kornene rundt seg.

– Da begynner det å oppstå sprekker, og det er nettopp dette vi skal undersøke i nanoskala. Vi vil studere hvorfor kornet vokser én bestemt vei – og hva som skal til for å endre oppførselen slik at sprekkene i stedet klistrer seg sammen og sementerer seg. Hvis vi kan forstå denne grunnleggende mekanismen, kan vi, eller andre i fremtiden, bruke dette til å lage selvlegende stoffer som kan helles på en statue, slik at den blir sterkere og ikke lar seg sprenge av saltet.

Avanserte simuleringer

Forskerne har tilgang til spesiallagde instrumenter der de kan studere hvordan kreftene mellom mineralkornene endrer seg i nanoskala. Så må de tolke resultatene med en rekke teoretiske beregninger.

– Sprekker er mye mer kompliserte enn du kan tenke deg. Vi må derfor studere sprekker på ulike skalaer for å forstå alle de fenomenene som må til for at en sprekk skal vokse.

Eksperimenter er ikke nok. De må også simulere på datamaskinen hva som skjer på kvantenivå og molekylnivå.

– Først da kan vi forstå hvorfor og hvor godt stoffer henger sammen, forteller Dag Dysthe.

Selvhelende bein

Forskningen deres kan forhåpentligvis også brukes til å lage bedre sement for reparasjon av bein i kroppen vår. Kroppens egne celler må trives på overflaten av sementen, og beinet må bygges av kroppens egne celler, mens sementen løses opp.

– Vi håper denne sementen kan brukes hvis et brudd ikke gror på vanlig måte. Vi håper også at den nye innsikten vår kan brukes til å lage bedre sement til å tette oljebrønner, noe som blir stadig viktigere i årene som kommer, når vi skal stenge en rekke oljebrønner i Nordsjøen, avslutter Dag Dysthe.

 

Av Yngve Vogt
Publisert 7. nov. 2016 08:06 - Sist endret 7. nov. 2016 08:06
Legg til kommentar

Logg inn for å kommentere

Ikke UiO- eller Feide-bruker?
Opprett en WebID-bruker for å kommentere