Từ san hô, học cách sản xuất xi măng

Trong tự nhiên, san hô không chỉ tạo nên những rạn đá rực rỡ dưới biển, mà còn sở hữu một cơ chế hóa học đáng kinh ngạc để xây dựng bộ xương ngoài bền chắc. Brent Constantz phát hiện điều này khi còn là sinh viên ngành sinh học biển vào những năm 1980, thời điểm ông đặc biệt kinh ngạc trước quy mô khổng lồ của các vỉa san hô. Những cấu trúc ấy hình thành gần như hoàn toàn từ nước biển, nhờ san hô kết hợp calcium cùng bicarbonate sẵn có để tạo thành calcium carbonate rồi tinh thể hóa thành bộ xương ngoài. Phát hiện đó trở thành điểm khởi đầu cho hành trình nghiên cứu kéo dài hai thập niên, khi Constantz tìm cách vận dụng cơ chế tạo san hô vào lĩnh vực phục hồi xương người. Ông nghiên cứu cách kiểm soát quá trình hình thành vật liệu khoáng tương tự trong cơ thể, nhằm tạo ra loại xi măng xương hỗ trợ sửa chữa những phần xương bị tổn thương. Kết quả nghiên cứu giúp Constantz sở hữu hơn 60 bằng sáng chế, thành lập hai công ty, đồng thời đưa loại xi măng xương của mình vào sử dụng tại nhiều nơi trên thế giới. Tuy nhiên, thành công trong y học không khiến ông rời bỏ san hô, bởi cơ chế tự nhiên này vẫn gợi mở một hướng tiếp cận đầy tiềm năng cho ngành xây dựng. Năm 2007, giáo sư Đại học Stanford tại Mỹ sáng chế một dạng xi măng mới dành cho các công trình xây dựng, dựa trực tiếp trên cách san hô tạo vật liệu. Điểm cốt lõi nằm ở việc xi măng đá vôi được tinh thể hóa trong nước, thay vì hình thành theo cách thông thường vốn đòi hỏi nhiều năng lượng và tạo ra lượng phát thải đáng kể. Khi bổ sung vật liệu cốt liệu như cát hoặc sỏi vào hỗn hợp, quy trình này có thể tạo ra một loại xi măng vừa bền chắc, vừa có chi phí tương đối thấp. Constantz nhận thấy mô phỏng cơ chế của san hô còn mang lại lợi ích môi trường quan trọng, vì phương pháp này có khả năng giảm tổng lượng carbon dioxide thải vào không khí. Ý tưởng ấy không dừng ở việc sản xuất vật liệu mới, mà còn hướng tới cô lập nguyên liệu từ những nguồn phát thải carbon dioxide lớn nhất thế giới, trong đó có các nhà máy điện. Năm 2009, Calera, công ty mới nhất do Constantz thành lập, bắt đầu biến lý thuyết thành thử nghiệm thực tế tại một nhà máy điện công suất 1.000 megawatt ở Moss Landing, California. Tại cơ sở này, các kỹ sư phun nước biển giàu khoáng chất hoặc nước mặn vào dòng khí đã cháy, được thu gom từ những ống khói của nhà máy điện. Calcium trong nguồn nước đó liên kết với carbon có trong dòng khí, sau đó hình thành vật liệu khoáng có thể tiếp tục được xử lý để tạo ra xi măng. Cách vận hành này khiến nhà máy điện không chỉ bị xem là nguồn phát thải, mà còn trở thành nơi cung cấp một phần nguyên liệu cho quá trình sản xuất vật liệu xây dựng. Theo Constantz, nhà máy thí điểm tại Moss Landing có khả năng sản xuất tới 1.100 tấn xi măng mỗi ngày, đồng thời cô lập được khoảng 550 tấn carbon dioxide. Những con số này cho thấy công nghệ lấy cảm hứng từ san hô có thể kết hợp hai mục tiêu, gồm tạo vật liệu xây dựng và hạn chế lượng khí nhà kính phát tán. Dù vậy, quy trình vẫn dựa trên việc kiểm soát chính xác thành phần nước, dòng khí cùng điều kiện tinh thể hóa, để sản phẩm tạo thành đạt độ bền cần thiết. Sức hấp dẫn của phương pháp nằm ở sự kết hợp giữa hóa học tự nhiên và nhu cầu công nghiệp, khi một cơ chế diễn ra dưới biển được chuyển thành quy trình quy mô lớn. San hô sử dụng calcium cùng bicarbonate trong nước biển để dựng nên cấu trúc của mình, còn Calera tìm cách khai thác những thành phần tương tự trong môi trường nhà máy điện. Nếu triển khai rộng rãi, công nghệ này có thể mở thêm hướng xử lý carbon dioxide tại nơi phát sinh, thay vì chỉ tìm cách giảm phát thải trước khi khí thoát ra môi trường. Calera dự kiến trong ba năm tiếp theo sẽ vận hành công nghệ tại một số nhà máy thuộc bang Wyoming của Mỹ và tại Úc, qua đó mở rộng quy mô thử nghiệm. Hành trình của Constantz cho thấy quan sát một sinh vật biển nhỏ bé có thể dẫn tới những ứng dụng lớn, từ xi măng xương trong y học đến xi măng phục vụ xây dựng.