Başak Nur GÖKÇAM
Beton, tüm dünyada sudan sonra en çok tüketilen ikinci malzeme konumunda yer alıyor. Kum madenciliği oranlarını artıran bu durum, küresel ısınmayla olan mücadelede de küresel çapta bir engel yaşanmasına neden olarak, hem çevre hem de kaynak krizine neden oluyor. Bu soruna çözüm bulma arayışında olan Rice Üniversitesi araştırmacıları, taş kömürünün destilasyon işlemi sonucu elde edilen metalürjik kok kömüründen Joule ısıtma yoluyla ısı iletkeni olan grafen elde etti.
Geliştirilen grafenin, yçimentoda takviye edici bir katkı maddesi dışında betondaki kumun yerini de alabileceği görüldü. Çalışmaya ilişkin konuşan Prof. James Tour, “Bu çalışma, dünyanın en büyük endüstrilerinden biri üzerinde büyük bir etkiye sahip olabilir. Grafen agregası yerine kullanılan betonu, uygun kum agregası kullanılarak yapılan betonla karşılaştırdık ve betonumuzun yüzde 25 daha hafif ama aynı derecede dayanıklı olduğunu gördük” dedi.
2050’de dünyanın % 68’i kentsel alanda yaşayacak
Çimento ve suyla birleştirilmiş kum ve çakıl gibi agregaların bir karışımı olan beton, kentsel gelişim için mutlaka gereklidir. Tahminlere göre 2050 yılına kadar küresel nüfusun yüzde 68’inin kentsel alanlarda yaşayacağı beklenmektedir. Kent yaşamındaki bu artış da betona ve dolayısıyla da kum madenciliğine olan talebi ciddi ölçüde artıracaktır.
Son 20 yılda yaklaşık 50 milyar tona ulaşan kum madenciliğinin çevreye olan etkisi ise küresel ısınma mücadelesinde engelleyici bir faktördür. Çünkü betonun önemli bir bileşeni olan çimento üretimi, dünya çapındaki karbondioksit emisyonlarının yüzde 8’ini oluşturmaktadır. Hatta büyük ölçüde düzenlemeye tabi olmayan kum madenciliği, nehir ve kıyı ekosistemlerini de ciddi boyutta tehdit etmektedir.
Kentleşme, kum krizini tetikleyebilir
2022 Birleşmiş Milletler raporuna göre, artan kum talebi, nüfus artışı ve kentsel genişlemeyle birleştiğinde, yakında bir ‘kum krizini’ tetikleyebilir. Bu krizle mücadele edebilmek için Joule ısıtma tekniği ile metalürjik kok kömürünü işlemden geçiren Tour laboratuvarı, betondaki kum yerine kullanılabilecek grafen geliştirerek, tüm bu sorunlarla mücadele edebilmenin bir yolunu araladı.
Çalışmanın başyazarı ve Rice doktora mezunu Paul Advincula, “Metalurjik kok kok kömürünün, grafene dönüştürüldüğü ilk deneyler, kuma benzer boyutta görünen bir malzemeyle sonuçlandı. Metalurjik koktan elde edilen grafenin betondaki kumun yerine tamamen geçmesini araştırmaya karar verdik ve bulgularımız bunun gerçekten işe yarayacağını gösteriyor.
Geleneksel betonu grafen agregalarından yapılmış betonla karşılaştıran testler umut verici sonuçlar veriyor” ifadelerinde bulundu. Geliştirilen grafen bazlı beton, sadece standart betonun mekanik özelliklerine uymakla kalmayarak, aynı zamanda daha yüksek bir mukavemet/ağırlık oranı da sunmayı başardı.
Tour laboratuvarı, hibrit karbon nanomateryal sentezi, pil parçası geri dönüşümü ve uçucu kömür külünden ağır metallerin uzaklaştırılması dahil olmak üzere çeşitli uygulamalar için Flash Joule ısıtmayı kullandı. Advincula, “Bu teknik, önceki yöntemlere göre daha hızlı ve daha büyük ölçekte grafen üretiyor. Fakat bu sadece takip edebileceğimiz alternatiflerin olduğunu gösteriyor” diye de ekledi.
Beton endüstrisindeki emisyonu azaltacak
Doğal kuma olan bağımlılığı azaltma ve beton endüstrisinden kaynaklanan karbon emisyonlarını azaltma potansiyeline sahip bu yeni teknoloji, daha sürdürülebilir kentsel gelişim uygulamalarına yol açabilir. Prof. James Tour, geliştirilen grafenin fiyatının, bunu uygulanabilir hale getirecek kadar düşmesinin biraz zaman alacağını belirtiyor. Araştırma, ABD Ordusu Mühendisler Birliği, Mühendis Araştırma ve Geliştirme Merkezi (W912HZ-21-2-0050), Hava Kuvvetleri Bilimsel Araştırma Ofisi (FA9550-22-1- 0526) ve Ulusal Bilim Vakfı tarafından desteklendi.
Betonun % 30’unu kum oluşturuyor
Araştırmanın yazarlarından inşaat ve çevre mühendisliği ile makine mühendisliği profesörü Satish Nagarajaiah ise, “Betonun yüzde 30’unun önemli bir kısmı kumdan oluşuyor. Bir ‘kum krizinin’ eşiğinde olduğumuz gerçeği bizi alternatifler aramaya itiyor ve maliyeti betonun maliyetinin yaklaşık yüzde 10’u kadar olan ve kumla hemen hemen aynı olan metalürjik kok kömürü, yalnızca betonun daha iyi hale getirilmesine yardımcı olmakla kalmıyor, aynı zamanda önemli tasarruflara da dönüşüyor” dedi.
