Ученые разработали простое решение для борьбы с эрозией берегов: они просто бьют песок током

Новый метод, разработанный в Северо-Западном университете, использует электрические токи для затвердевания морского песка, создавая прочные, похожие на скалы структуры, которые могут заменить дорогостоящие традиционные берегоукрепительные сооружения, такие как морские стены.

Исследователи из Северо-Западного университета продемонстрировали, что с помощью электрического тока можно укрепить морскую береговую линию на несколько поколений, смягчив растущую угрозу эрозии в условиях повышения уровня моря и изменения климата. В исследовании, опубликованном в журнале Communications Earth and the Environment, ученые черпали вдохновение у моллюсков, мидий и других обитателей моря, которые используют растворенные в морской воде минералы для создания своих раковин.

Аналогичным образом исследователи использовали те же растворенные минералы, встречающиеся в природе, для создания естественного цемента между песчинками, пропитанными морской водой. Но вместо метаболической энергии, как это делают моллюски, исследователи использовали электрическую энергию, чтобы запустить химическую реакцию.

В лабораторных экспериментах слабый электрический ток мгновенно изменил структуру морского песка, превратив его в неподвижное твердое вещество, похожее на камень. Исследователи надеются, что эта стратегия может стать долговременным, недорогим и устойчивым решением для укрепления глобальных береговых линий.

«Более 40% населения Земли проживают в прибрежных районах. Из-за изменения климата и повышения уровня моря эрозия представляет собой огромную угрозу для данных групп», — говорит Алессандро Ротта Лориа, доцент кафедры гражданского строительства и экологии Луиса Бергера в Северо-Западной инженерной школе Маккормика, возглавивший исследование.

«Разрушая инфраструктуру и теряя землю, эрозия наносит ущерб на миллиарды долларов в год по всему миру. Современные подходы к смягчению последствий эрозии включают строительство защитных сооружений или закачивание в недра внешних вяжущих веществ», — добавил он.

По словам Лориа, его целью было разработать подход, способный изменить статус-кво в защите прибрежных районов, — подход, который не требовал бы строительства защитных сооружений и мог бы цементировать морские субстраты без использования цемента.

Применяя мягкое электрическое воздействие на морские грунты, исследователи систематически и механически доказали, что их можно цементировать, превращая естественно растворенные в морской воде минералы в твердые минеральные связующие — природный цемент.

Изменение климата — от усиления ливней до повышения уровня моря — создало условия, которые постепенно приводят к эрозии береговой линии. Согласно исследованию Объединенного исследовательского центра Европейской комиссии, проведенному в 2020 году, к концу этого века почти 26% пляжей Земли будут смыты.

Чтобы смягчить эту проблему, сообщества применяют два основных подхода: строят защитные сооружения и барьеры, такие как морские стены, или закачивают цемент в грунт, чтобы укрепить морские субстраты, состоящие в основном из песка. Однако эти стратегии сопровождаются множеством проблем. Данные традиционные методы не только дорого обходятся, но и недолговечны. «Морские стены тоже страдают от эрозии, — говорит Лориа. — Со временем песок под этими стенами размывается, и в итоге стены могут разрушиться».

Часто защитные сооружения строятся из больших камней, которые стоят миллионы долларов за милю. Однако песок под ними может разжижаться под воздействием различных факторов окружающей среды и эти большие камни поглощаются землей под ними. «Инъекция цемента и других связующих веществ в грунт имеет ряд необратимых экологических недостатков. Кроме того, для этого обычно требуются высокое давление и значительные объемы энергии», — добавил Лориа.

Чтобы обойти эти проблемы, Лориа и его команда разработали более простую технологию, вдохновленную кораллами и моллюсками. Морская вода естественным образом содержит огромное количество ионов и растворенных минералов. Когда на воду подается слабый электрический ток (2–3 вольта), в ней начинаются химические реакции.

В результате некоторые из этих компонентов превращаются в твердый карбонат кальция — тот самый минерал, из которого моллюски строят свои раковины. Аналогичным образом, при чуть более высоком напряжении (4 вольта) эти составляющие могут быть преимущественно преобразованы в гидроксид магния и гидромагнезит, повсеместно встречающийся в различных камнях.

Когда эти минералы соединяются в присутствии песка, они действуют как клей, скрепляя частицы песка вместе. В лабораторных условиях этот процесс также работал со всеми типами песков — от обычных кварцевых и известковых до железных, которые часто встречаются вблизи вулканов. «После обработки песок выглядит как камень, — говорит Лориа. — Он становится неподвижным и твердым, а не зернистым и несвязным. Сами минералы намного прочнее бетона, поэтому полученный песок может стать таким же прочным и твердым, как морская стена».

Хотя минералы образуются мгновенно после подачи тока, более длительное электрическое воздействие дает более существенные результаты. «Мы заметили замечательные результаты уже через несколько дней стимуляции, — говорит Лориа. — После этого обработанный песок должен оставаться на месте, не требуя дальнейшего вмешательства».

По его прогнозам, обработанный песок должен сохранять свою прочность, защищая береговые линии и имущество в течение десятилетий. Он также говорит, что нет необходимости беспокоиться о негативном влиянии на морскую жизнь. Напряжение, используемое в процессе, слишком слабое, чтобы его можно было почувствовать. Другие исследователи применяли подобные процессы для укрепления подводных конструкций и даже для восстановления коралловых рифов. В этих случаях морская живность не пострадала.

Если жители решат, что им больше не нужен затвердевший песок, у Лориа есть решение и на этот случай, поскольку процесс полностью обратим. Когда электроды анода и катода батареи меняются местами, электричество растворяет минералы, фактически отменяя процесс. «Минералы образуются потому, что мы локально повышаем рН морской воды в районе катодных границ, — говорит он. — Если поменять анод с катодом местами, то произойдет локальное понижение pH, которое растворит ранее выпавшие в осадок минералы».

Этот процесс представляет собой недорогую альтернативу традиционным методам. Команда Лориа подсчитала, что процесс обходится всего от $3 до $6 за кубический метр электрически сцементированного грунта. Более известные, сопоставимые методы, использующие связующие вещества для сцепления и укрепления песка, стоят до $70 за тот же единичный объем.

Исследования, проведенные в лаборатории, показывают, что этот подход может также «залечивать» трещины в железобетонных конструкциях. Большая часть существующей береговой инфраструктуры выполнена из железобетона, который разрушается под воздействием комплексных эффектов, вызванных повышением уровня моря, эрозией и экстремальными погодными условиями. Если эти конструкции растрескиваются, новый подход позволяет обойтись без полного восстановления инфраструктуры. Вместо этого один импульс электричества может исправить потенциально разрушительные трещины.

«Применение этого подхода бесчисленно, — говорит Лориа. — Мы можем использовать его для укрепления морского дна под морскими стенами или стабилизации песчаных дюн и удержания неустойчивых почвенных склонов. Мы также можем использовать его для укрепления защитных сооружений, морских фундаментов и многих других вещей. Существует множество способов применения этого материала для защиты прибрежных районов». Далее команда Лориа планирует протестировать методику за пределами лаборатории и на пляже.

Ранее группа исследователей из Калифорнийского университета и их соавторы разработали экономически эффективный и масштабируемый метод охлаждения зданий летом и обогрева зимой. С ростом глобальных температур растет и спрос на устойчивые решения для охлаждения.