رابطة سيليكات المغنيسيوم تظهر إمكانات كطريق محايد للكربون لصناعة الأسمنت

لماذا يهم الأسمنت الأنظف

الأسمنت هو المادة اللاصقة التي تربط مبانينا وجسورنا وطرقنا، لكن إنتاجه يطلق كميات كبيرة من ثاني أكسيد الكربون إلى الهواء. يستعرض هذا المقال نوعاً جديداً من الأسمنت المصنوع من صخور غنية بالمغنيسيوم يمكن أن يقلل بشكل كبير هذه الانبعاثات المسببة للاحتباس الحراري مع الحفاظ على المتانة التي يتطلبها البناء الحديث.

نظرة جديدة إلى المادة اللاصقة الأكثر استخداماً في العالم

الخرسانة تتكون من حصى ورمل وماء ومسحوق يسمى الأسمنت. اليوم، يعتمد معظم الأسمنت على الحجر الجيري الذي يجب تسخينه إلى درجات حرارة عالية جداً. هذه العملية لا تحرق الوقود فحسب، بل تكسر أيضاً الحجر الجيري نفسه مما يطلق ثاني أكسيد الكربون. مجتمعة، تتحمل مصانع الأسمنت نحو 8٪ من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون العالمية، وهذه الانبعاثات «الصعبة التجنّب» الناتجة عن الحجر الجيري يصعب إزالتها بشكل خاص. كثير من خطط المناخ الحالية تعتمد على التقاط هذا الكربون ودفنه، لكن هذه التقنية مكلفة وبطيئة في الانتشار وتثير تساؤلات حول السلامة القانونية وطويلة الأمد.

استعارة أفكار من كيمياء الصخور الطبيعية

يلجأ الباحثون إلى الصخور التي تتفاعل طبيعياً مع الماء في باطن الأرض: الصخور فوق الأساسيات الغنية بالمغنيسيوم، والتي تتحول عادة بفعل التجوية إلى خليط معدني يسمى السيربانتينيت. في الطبيعة تتغير هذه الصخور ببطء على مدى فترات طويلة وكان يُظَن طويلاً أنها ضعيفة في تشكيل روابط لاصقة قوية. من خلال دراسة دقيقة لتغيرات الطاقة وسرعات التفاعل بين المغنيسيوم والسيليكا عند التماس مع الماء، يُظهر الفريق أن هذا النظام يمكن أن يتصرف في الواقع بشكلٍ يشبه الأسمنت التقليدي إذا تم تنشيطه بشكل مناسب. تقترح دراستهم أن شكلاً خاصاً عالي التفاعل من سيليكات المغنيسيوم يمكن أن يشكل مراحل ربط قوية ومستقرة عند ترطيبه، تماماً مثل مراحل اللصق التي تتشكل في الأسمنت القياسي.

تحويل الصخر إلى أسمنت صالح للاستخدام

تبدأ الرابطة الجديدة من صخور السيربانتينيت المستخرجة من محاجر قائمة. تُسحق الصخور وتُسخّن إلى نحو 775 درجة مئوية في فرن دوار، ثم تُطحن ناعماً. يزيل هذا المعالجة الحرارية جزءاً من الماء في المعادن ويعطل البنية البلورية، محوِّلاً إياها إلى مسحوق عديم الشكل بالأشعة السينية وعالي التفاعل. عندما يُخلط هذا المسحوق مع الماء، يذوب ببطء ويعيد التشكّل كمراحل هيدرات سيليكات مغنيسيوم دقيقة للغاية. تُقلم هذه المراحل الجديدة المادة معاً وتمنحها مقاومة انضغاطية مشابهة لأسمنت بورتلاندي تجاري، كما تظهر اختبارات القوة على مدى 28 يوماً. يكون التعامل في الموقع شبيهاً إلى حد كبير بالأسمنت القياسي، رغم أن الرابطة الجديدة تحتاج حالياً إلى جرعات أعلى من المواد المرنة (اللدنات) لتحقيق انسيابية جيدة عند محتوى ماء منخفض، وأنه لا يزال يتعين تطوير إضافات مكيّفة.

الأداء العملي في المنشآت الحقيقية

تمتلك رابطة سيليكات المغنيسيوم بعض الاختلافات المهمة عن الخرسانة الحالية. ماء المسام داخل المادة المتصلبة أقل قاعدية، حيث يبلغ الرقم الهيدروجيني نحو 10 بدلاً من 13. تساعد القلوية العالية عادةً في حماية حديد التسليح من الصدأ، لذا يثير هذا التغيير تساؤلات حول المتانة. ومع ذلك، تظهر دراسات أخرى على روابط مشابهة أن بنية مسامية أدق وقابلية توصيل كهربائي منخفضة يمكن أن تعوض الرقم الهيدروجيني الأقل، ويقترح المؤلفون استخدام فولاذ مطلي أو ألياف بديلة عند الحاجة. كما أن الحرارة المنبعثة عند تصلب الرابطة أقل، ما قد يفيد العناصر الخرسانية الكبيرة جداً عن طريق تقليل التشققات. القوة العامة وسهولة التشغيل تجعلانها مناسبة للعديد من استخدامات الخرسانة الجاهزة والمسبقة الصب، رغم الحاجة إلى مزيد من الاختبارات للثبات على المدى الطويل والتوافق مع المضافات الشائعة.

هل هناك ما يكفي من الصخر المناسب على الأرض

لكي يكون أمراً ذا تأثير مناخي، يجب أن يُنتَج أي رابط جديد على نطاق واسع. يحلل الفريق قاعدة بيانات جيولوجية عالمية لودائع السيربانتينيت في 36 دولة منتجة للأسمنت. في 28 منها، الموارد المعروفة كبيرة بما يكفي لدعم أكثر من قرن من الإنتاج الحالي للأسمنت إذا استُبدلت تماماً بالرابطة الجديدة. قد تتمكن بعض البلدان حتى من تصدير المادة. حيث تكون تغطية قواعد البيانات ضعيفة، مثل أجزاء من أفريقيا وأمريكا الجنوبية، يكمل المؤلفون البيانات بدراسات أدبية، مستخدمين مصر ونيجيريا أمثلةً توضيحية. تُظهر دراسات الحالة هذه أن رواسب سيربانتينيت كبيرة موجودة حتى حيث تكون الخرائط غير مكتملة، لكنها تُبرز أيضاً الحاجة إلى مسوح محلية مفصّلة قبل القيام باستثمارات كبيرة.

كمية الكربون التي يمكن أن يوفرها ذلك بالفعل

بما أن السيربانتينيت لا يحتوي على ثاني أكسيد الكربون مُدمجاً فيه، تتجنب الرابطة الجديدة الانبعاثات الكيميائية التي تحدث عند تسخين الحجر الجيري، والتي اليوم تضيف نحو 600 كيلوجرام من ثاني أكسيد الكربون لكل طن من كلاينكر الأسمنت التقليدي. كما أنها تتطلب درجات حرارة أفران أقل يمكن الوصول إليها بالتسخين الكهربائي. باستخدام سيناريوهات الطاقة المستقبلية لأوروبا، يُنمذج المؤلفون كيف تنخفض انبعاثات إنتاج رابطة سيليكات المغنيسيوم مع تحول نظم الطاقة من الأحفوري إلى مصادر متجددة أو نووية. إذا قامت المصانع الأوروبية تدريجياً بتعديل أو استبدال أفران الأسمنت الموجودة بحيث يصبح كل الكلينكر بحلول عام 2050 معتمداً على المغنيسيوم ويُغذى بكهرباء محايدة الكربون، فقد تصل الانبعاثات المجمعة المتجنبة إلى نحو 2 مليار طن من ثاني أكسيد الكربون. في هذا السيناريو تنخفض الانبعاثات السنوية من الأسمنت الأوروبي إلى بضعة ملايين من الأطنان سنوياً، أي انخفاض يقارب 97٪ مقارنةً بالوضع الحالي.

مسار محتمل لخرسانة صديقة للمناخ

تخلص الدراسة إلى أن رابطة سيليكات المغنيسيوم من صخور السيربانتينيت قد تشكل الأساس الفني لخرسانة تكاد تكون محايدة للكربون بحلول منتصف القرن، على الأقل في المناطق التي تتوفر فيها مصادر الطاقة والمواد الخام المناسبة. تتوافق العملية جيداً مع المعدات الصناعية الحالية، وتتجنب الاعتماد على التقاط الكربون وتخزينه على نطاق واسع، وتستفيد من موارد صخرية موزعة على نطاق واسع. تظل التحديات قائمة، بما فيها دراسات متقدمة للمتانة، وتطوير مضافات كيميائية مكيّفة، والحصول على الموافقات التنظيمية، وسرعة تحويل المصانع المطلوبة. ومع ذلك، تُظهر هذه العمل أن إعادة التفكير في المعادن وراء الأسمنت يمكن أن تلعب دوراً رئيسياً في خفض انبعاثات أحد أهم المواد في العالم.

الاستشهاد: Naber, C., Majzlan, J., Moosdorf, N. et al. Magnesium silicate binder shows potential as a carbon-neutral route for cement manufacture. Commun. Sustain. 1, 79 (2026). https://doi.org/10.1038/s44458-026-00085-z

الكلمات المفتاحية: أسمنت منخفض الكربون, رابطة سيليكات المغنيسيوم, سيربانتينيت, خفض الكربون في الأسمنت, مواد البناء