Καταπολέμηση της διάβρωσης των ακτών με ηλεκτρισμό;
Μια καλλιτεχνική εντύπωση για το πώς θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί η ηλεκτρική ενέργεια για την ενίσχυση των ακτών. Από το Πανεπιστήμιο Northwestern.
Νέα έρευνα από το Πανεπιστήμιο Northwestern έχει συστηματικά αποδείξει ότι ένα ήπιο ηλεκτρικό ρεύμα μπορεί να ενισχύσει μια θαλάσσια ακτογραμμή για γενιές - μειώνοντας σημαντικά την απειλή της διάβρωσης ενόψει της κλιματικής αλλαγής και την άνοδο της στάθμης της θάλασσας.
Στη νέα μελέτη, οι ερευνητές εμπνεύστηκαν από μύδια, μύδια και άλλες θαλάσσιες ζωές που κατοικούν σε κοχύλια, οι οποίες χρησιμοποιούν διαλυμένα ορυκτά στο θαλασσινό νερό για να φτιάξουν τα κελύφη τους.
Ομοίως, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν τα ίδια φυσικά, διαλυμένα ορυκτά για να σχηματίσουν ένα φυσικό τσιμέντο ανάμεσα σε κόκκους άμμου εμποτισμένους στη θάλασσα. Όμως, αντί να χρησιμοποιούν μεταβολική ενέργεια όπως κάνουν τα μαλάκια, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν ηλεκτρική ενέργεια για να υποκινήσουν τη χημική αντίδραση.
Σε εργαστηριακά πειράματα, ένα ήπιο ηλεκτρικό ρεύμα άλλαξε στιγμιαία τη δομή της θαλάσσιας άμμου, μετατρέποντάς την σε ένα ακίνητο στερεό που μοιάζει με βράχο. Οι ερευνητές ελπίζουν ότι αυτή η στρατηγική θα μπορούσε να προσφέρει μια μόνιμη, φθηνή και βιώσιμη λύση για την ενίσχυση των παγκόσμιων ακτών.
Η μελέτη, με τίτλο "Ηλεκτροαπόθεση ασβεστούχου τσιμέντου από θαλασσινό νερό σε θαλάσσια πυριτική άμμο", εμφανίζεται στο περιοδικό Communications Earth & Environment .
«Πάνω από το 40% του παγκόσμιου πληθυσμού ζει σε παράκτιες περιοχές », δήλωσε ο Αλεσάντρο Ρότα Λόρια του Northwestern, ο οποίος ηγήθηκε της μελέτης.«Λόγω της κλιματικής αλλαγής και της ανόδου της στάθμης της θάλασσας , η διάβρωση είναι μια τεράστια απειλή για αυτές τις κοινότητες. Μέσω της αποσύνθεσης των υποδομών και της απώλειας γης, η διάβρωση προκαλεί ζημιές δισεκατομμυρίων δολαρίων ετησίως παγκοσμίως. Οι τρέχουσες προσεγγίσεις για τον μετριασμό της διάβρωσης περιλαμβάνουν δομές προστασίας κτιρίων ή έγχυση εξωτερικών συνδετικών στην υπόγεια επιφάνεια».
«Στόχος μου ήταν να αναπτύξω μια προσέγγιση ικανή να αλλάξει το status quo στην προστασία των ακτών - μια προσέγγιση που δεν απαιτούσε την κατασκευή δομών προστασίας και θα μπορούσε να τσιμεντάρει θαλάσσια υποστρώματα χωρίς τη χρήση πραγματικού τσιμέντου. Εφαρμόζοντας μια ήπια ηλεκτρική διέγερση στα θαλάσσια εδάφη, συστηματικά και μηχανιστικά απέδειξε ότι είναι δυνατή η τσιμέντωσή τους μετατρέποντας φυσικά διαλυμένα ορυκτά στο θαλασσινό νερό σε στερεά ορυκτά συνδετικά - ένα φυσικό τσιμέντο».
Ο Rotta Loria είναι ο Louis Berger Επίκουρος Καθηγητής Πολιτικής και Περιβαλλοντικής Μηχανικής στη Σχολή Μηχανικών McCormick του Northwestern. Ο Andony Landivar Macias, πρώην Ph.D. υποψήφιος στο εργαστήριο της Rotta Loria, είναι ο πρώτος συγγραφέας της εφημερίδας. Ο Steven Jacobsen, ορυκτολόγος και καθηγητής Γης και Πλανητών Επιστημών στο Weinberg College of Arts and Sciences του Northwestern, συνέγραψε επίσης τη μελέτη.
Δείγματα άμμου εμποτισμένης με θαλασσινό νερό στο εργαστήριο της Rotta Loria. Οι κάθετοι, ασημί στύλοι είναι ηλεκτρόδια. Από: Πανεπιστήμιο Northwestern.
Τα θαλάσσια τείχη, επίσης, διαβρώνονται
Από τις εντεινόμενες καταιγίδες μέχρι την άνοδο της στάθμης της θάλασσας, η κλιματική αλλαγή έχει δημιουργήσει συνθήκες που σταδιακά διαβρώνουν τις ακτές. Σύμφωνα με μελέτη του 2020 από το Κοινό Κέντρο Ερευνών της Ευρωπαϊκής Επιτροπής, σχεδόν το 26% των παραλιών της Γης θα ξεβραστεί μέχρι το τέλος αυτού του αιώνα.
Για να μετριάσουν αυτό το πρόβλημα, οι κοινότητες έχουν εφαρμόσει δύο κύριες προσεγγίσεις: δομές προστασίας κτιρίων και φράγματα, όπως θαλάσσια τείχη, ή έγχυση τσιμέντου στο έδαφος για την ενίσχυση θαλάσσιων υποστρωμάτων, που αποτελούνται ευρέως από άμμο. Αλλά πολλά προβλήματα συνοδεύουν αυτές τις στρατηγικές. Αυτές οι συμβατικές μέθοδοι όχι μόνο είναι εξαιρετικά ακριβές, αλλά δεν έχουν διάρκεια.
«Τα θαλάσσια τείχη, επίσης, υποφέρουν από διάβρωση», είπε ο Rotta Loria. «Έτσι, με την πάροδο του χρόνου, η άμμος κάτω από αυτούς τους τοίχους διαβρώνεται και οι τοίχοι μπορεί τελικά να καταρρεύσουν. Συχνά, οι δομές προστασίας είναι κατασκευασμένες από μεγάλες πέτρες, οι οποίες κοστίζουν εκατομμύρια δολάρια ανά μίλι. Ωστόσο, η άμμος κάτω από αυτούς μπορεί ουσιαστικά να ρευστοποιηθεί λόγω έναν αριθμό περιβαλλοντικών στρεσογόνων παραγόντων, και αυτοί οι μεγάλοι βράχοι καταπίνονται από το έδαφος κάτω από αυτά».
«Η έγχυση τσιμέντου και άλλων συνδετικών στο έδαφος έχει μια σειρά από μη αναστρέψιμα περιβαλλοντικά μειονεκτήματα. Επίσης, τυπικά απαιτεί υψηλές πιέσεις και σημαντικές διασυνδεδεμένες ποσότητες ενέργειας».
Μικροσκοπική εικόνα φυσικού τσιμέντου. Από: Πανεπιστήμιο Northwestern
Μετατροπή ιόντων σε κόλλα
Για να παρακάμψουν αυτά τα ζητήματα, ο Rotta Loria και η ομάδα του ανέπτυξαν μια απλούστερη τεχνική, εμπνευσμένη από τα κοράλλια και τα μαλάκια. Το θαλασσινό νερό περιέχει φυσικά μυριάδες ιόντα και διαλυμένα μέταλλα. Όταν ένα ήπιο ηλεκτρικό ρεύμα (2 έως 3 βολτ) εφαρμόζεται στο νερό, προκαλεί χημικές αντιδράσεις. Αυτό μετατρέπει μερικά από αυτά τα συστατικά σε στερεό ανθρακικό ασβέστιο - τα ίδια ορυκτά μαλάκια που χρησιμοποιούν για να χτίσουν το κέλυφός τους. Ομοίως, με ελαφρώς υψηλότερη τάση (4 βολτ), αυτά τα συστατικά μπορούν κυρίως να μετατραπούν σε υδροξείδιο του μαγνησίου και υδρομαγνησίτη, ένα ορυκτό που βρίσκεται παντού σε διάφορες πέτρες.
Όταν αυτά τα ορυκτά ενώνονται παρουσία άμμου, λειτουργούν σαν κόλλα, συνδέοντας τα σωματίδια άμμου μεταξύ τους. Στο εργαστήριο, η διαδικασία λειτούργησε επίσης με όλους τους τύπους άμμου - από κοινή πυριτική και ασβεστώδη άμμο μέχρι σιδερένια άμμο, που συχνά βρίσκονται κοντά σε ηφαίστεια.
«Μετά τη θεραπεία, η άμμος μοιάζει με βράχο», είπε ο Rotta Loria. «Είναι ακίνητο και συμπαγές, αντί να είναι κοκκώδες και μη συνεκτικό. Τα ίδια τα ορυκτά είναι πολύ ισχυρότερα από το σκυρόδεμα, επομένως η άμμος που προκύπτει θα μπορούσε να γίνει τόσο δυνατή και συμπαγής όσο ένα θαλάσσιο τείχος».
Ενώ τα ορυκτά σχηματίζονται ακαριαία μετά την εφαρμογή του ρεύματος, οι μεγαλύτερες ηλεκτρικές διεγέρσεις συγκεντρώνουν πιο ουσιαστικά αποτελέσματα. «Έχουμε παρατηρήσει αξιοσημείωτα αποτελέσματα από μόλις λίγες ημέρες διεγέρσεων», είπε ο Rotta Loria. «Τότε, η επεξεργασμένη άμμος θα πρέπει να παραμείνει στη θέση της, χωρίς να χρειάζονται περαιτέρω επεμβάσεις».
Φιλικό προς το περιβάλλον και αναστρέψιμο
Ο Rotta Loria προβλέπει ότι η επεξεργασμένη άμμος θα διατηρήσει την αντοχή της, προστατεύοντας τις ακτές και την ιδιοκτησία για δεκαετίες.
Λέει επίσης ότι δεν υπάρχει λόγος ανησυχίας για τις αρνητικές επιπτώσεις στη θαλάσσια ζωή. Οι τάσεις που χρησιμοποιούνται στη διαδικασία είναι πολύ ήπιες για να τις αισθανόμαστε. Άλλοι ερευνητές έχουν χρησιμοποιήσει παρόμοιες διαδικασίες για την ενίσχυση υποθαλάσσιων δομών ή ακόμα και την αποκατάσταση κοραλλιογενών υφάλων. Σε αυτά τα σενάρια, κανένα θαλάσσιο πλάσμα δεν τραυματίστηκε.
Εάν οι κοινότητες αποφασίσουν ότι δεν θέλουν πλέον τη στερεοποιημένη άμμο, η Rotta Loria έχει μια λύση και για αυτό, καθώς η διαδικασία είναι εντελώς αναστρέψιμη. Όταν τα ηλεκτρόδια ανόδου και καθόδου της μπαταρίας εναλλάσσονται, ο ηλεκτρισμός διαλύει τα ορυκτά — αναιρώντας ουσιαστικά τη διαδικασία.
«Τα ορυκτά σχηματίζονται επειδή αυξάνουμε τοπικά το pH του θαλασσινού νερού γύρω από τις καθοδικές διεπαφές», είπε ο Rotta Loria. «Εάν αλλάξετε την άνοδο με την κάθοδο, τότε εμπλέκονται τοπικές μειώσεις στο pH, οι οποίες διαλύουν τα ορυκτά που είχαν κατακρημνιστεί προηγουμένως».
Δείγμα ενισχυμένης άμμου, επεξεργασμένη με ήπιο ηλεκτρισμό, από το εργαστήριο Rotta Loria. Από Πανεπιστήμιο Northwestern.
Ανταγωνιστικό κόστος, αμέτρητες εφαρμογές
Η διαδικασία προσφέρει μια φθηνή εναλλακτική λύση σε σχέση με τις συμβατικές μεθόδους. Αφού συνέταξε τους αριθμούς, η ομάδα του Rotta Loria εκτιμά ότι η διαδικασία του κοστίζει μόλις $3 έως $6 ανά κυβικό μέτρο ηλεκτρικά τσιμεντοειδούς εδάφους. Πιο καθιερωμένες, συγκρίσιμες μέθοδοι, οι οποίες χρησιμοποιούν συνδετικά για την πρόσφυση και την ενίσχυση της άμμου, κοστίζουν έως και 70 $ για τον ίδιο όγκο μονάδας.
Έρευνα στο εργαστήριο του Rotta Loria δείχνει ότι αυτή η προσέγγιση μπορεί επίσης να θεραπεύσει ραγισμένες κατασκευές από οπλισμένο σκυρόδεμα. Μεγάλο μέρος της υπάρχουσας παραθαλάσσιας υποδομής είναι κατασκευασμένο από οπλισμένο σκυρόδεμα, το οποίο αποσυντίθεται λόγω πολύπλοκων επιπτώσεων που προκαλούνται από την άνοδο της στάθμης της θάλασσας , τη διάβρωση και τα ακραία καιρικά φαινόμενα. Εάν αυτές οι δομές ραγίσουν, η νέα προσέγγιση παρακάμπτει την ανάγκη πλήρους ανοικοδόμησης της υποδομής. Αντίθετα, ένας παλμός ηλεκτρισμού μπορεί να θεραπεύσει δυνητικά καταστροφικές ρωγμές.
«Οι εφαρμογές αυτής της προσέγγισης είναι αμέτρητες», είπε η Rotta Loria. «Μπορούμε να το χρησιμοποιήσουμε για να ενισχύσουμε τον πυθμένα κάτω από τα τείχη της θάλασσας ή να σταθεροποιήσουμε αμμόλοφους και να διατηρήσουμε ασταθείς πλαγιές εδάφους. Θα μπορούσαμε επίσης να το χρησιμοποιήσουμε για να ενισχύσουμε δομές προστασίας, θαλάσσια θεμέλια και τόσα άλλα πράγματα. Υπάρχουν πολλοί τρόποι να το εφαρμόσουμε για την προστασία των ακτών περιοχές».
Στη συνέχεια, η ομάδα του Rotta Loria σχεδιάζει να δοκιμάσει την τεχνική έξω από το εργαστήριο και στην παραλία.
Γεωδίφης με πληροφορίες από phys.org
περισσότερα,
Electrodeposition of calcareous cement from seawater in marine silica sands, Communications Earth & Environment (2024).
https://phys.org/news/2024-08-coastal-erosion-electricity.html