Calcestruzzo con biochar da feci umane: frontiera dell’edilizia

🌐 Calcestruzzo con biochar da feci umane: un nuovo studio sperimenta l’impiego dei fanghi fecali trasformati in biochar come sostituto parziale del cemento, con risultati sorprendenti su resistenza e sostenibilità del materiale.

Potrebbe sembrare l’idea più improbabile mai uscita da un laboratorio di ingegneria civile. Eppure dietro quello che, a prima vista, appare come un esperimento quasi provocatorio c’è una domanda molto concreta: si può trasformare un rifiuto umano in una risorsa utile per costruire?

Un gruppo di ricercatori guidato dall’ingegnere civile Raghuvesh Tiwari, della Manipal University di Jaipur, in India, ha provato a rispondere partendo da un materiale tutt’altro che convenzionale: i fanghi fecali provenienti dagli impianti di trattamento.

Ma attenzione a un dettaglio fondamentale. Non significa che le feci vengano semplicemente mescolate al cemento.

Il materiale organico viene prima sottoposto a trattamento e trasformato, attraverso un processo di pirolisi, in biochar: una sostanza carboniosa che può essere macinata e utilizzata in una miscela cementizia.

Il risultato, secondo gli esperimenti descritti nello studio, è particolarmente interessante: alcune miscele hanno mostrato miglioramenti nelle prestazioni meccaniche rispetto al calcestruzzo tradizionale.

E la storia diventa ancora più interessante quando si considera il problema ambientale che l’esperimento cerca di affrontare.

Il problema nascosto dietro il cemento

Il calcestruzzo è uno dei materiali più utilizzati al mondo.

La sua fortuna deriva da una combinazione difficile da replicare: allo stato fresco può essere modellato e colato praticamente ovunque, mentre dopo l’indurimento diventa un materiale capace di sopportare carichi elevati e di mantenere le proprie caratteristiche per lunghi periodi.

Il problema è soprattutto il cemento, uno dei suoi ingredienti fondamentali.

La produzione del cemento richiede infatti processi industriali ad alta temperatura e comporta importanti emissioni di anidride carbonica. Una parte deriva dall’energia necessaria alla produzione, un’altra è legata direttamente alle trasformazioni chimiche che avvengono durante la lavorazione delle materie prime.

Per questo la ricerca internazionale sta cercando da anni materiali capaci di ridurre la quantità di cemento necessaria nelle miscele senza compromettere resistenza, durabilità e sicurezza.

Ed è proprio qui che entra in scena il biochar.

Che cos’è il biochar

Il biochar è un materiale ricco di carbonio ottenuto attraverso la trasformazione termica di materia organica in condizioni caratterizzate da una disponibilità limitata di ossigeno.

Il processo, chiamato pirolisi, permette di convertire differenti tipi di biomassa in un materiale solido dalle caratteristiche fisiche e chimiche particolari.

Il biochar può essere prodotto a partire da numerose forme di scarto organico: residui agricoli, legno, segatura e altri materiali di origine biologica.

La ricerca sull’impiego del biochar nel calcestruzzo nasce proprio dalla possibilità di utilizzare un materiale di scarto come componente di una nuova miscela edilizia, riducendo contemporaneamente il ricorso a una parte del cemento tradizionale.

La domanda dei ricercatori indiani è stata quindi tanto semplice quanto insolita: se diversi residui organici possono essere trasformati in biochar, perché non provare a utilizzare anche quelli provenienti dai fanghi fecali?

Dalle acque reflue al materiale da costruzione

Il passaggio decisivo è rappresentato dal trattamento.

I ricercatori hanno utilizzato biochar prodotto a partire da fanghi fecali provenienti da un impianto di trattamento di Warangal, in India.

Il materiale non viene utilizzato nello stato originale.

Prima viene essiccato e successivamente sottoposto a pirolisi, con temperature comprese nello studio tra 350 e 450 °C, in un ambiente povero di ossigeno.

Dopo il trattamento termico, il prodotto viene ulteriormente lavorato, macinato e setacciato fino a ottenere una polvere sufficientemente fine da poter essere incorporata nella miscela cementizia.

Questo passaggio è essenziale anche per comprendere correttamente la notizia.

Non esiste quindi un “cemento fatto con le feci” nel senso letterale dell’espressione.

Esiste piuttosto una tecnologia sperimentale che prende un residuo organico trattato, lo converte in biochar e ne valuta l’impiego come sostituto parziale del cemento.

L’esperimento con il 5, 10 e 15 per cento

Per verificare il comportamento del nuovo materiale, i ricercatori hanno preparato diverse miscele.

Il biochar ottenuto dai fanghi fecali è stato utilizzato per sostituire una parte del cemento in percentuali differenti: 5%, 10% e 15%.

Le diverse formulazioni sono state quindi sottoposte a numerosi test.

Non è stata valutata soltanto la resistenza alla compressione. I ricercatori hanno esaminato anche resistenza alla flessione, ritiro, porosità e assorbimento dell’acqua, parametri importanti per capire come un materiale possa comportarsi nel tempo.

Il dato più interessante è emerso soprattutto nelle miscele con una quantità relativamente contenuta di biochar.

La formulazione con il 5% di sostituzione ha mostrato un comportamento complessivamente particolarmente promettente.

Ma alcuni risultati relativi alle miscele con il 10% hanno attirato ancora di più l’attenzione.

Resistenza alla compressione e alla flessione: i risultati

Il calcestruzzo sperimentale non si è limitato a mantenere le proprie prestazioni.

Nel corso dell’indurimento, alcune formulazioni hanno continuato a mostrare un incremento della resistenza.

Dopo 91 giorni, la miscela con il 5% di biochar avrebbe evidenziato un aumento medio della resistenza alla compressione nell’ordine del 20% e un incremento della resistenza alla flessione di circa il 36% rispetto al riferimento considerato nello studio.

Con il 10% di sostituzione, i valori riportati sono arrivati a circa +21% nella resistenza alla compressione e +42% nella resistenza alla flessione.

Sono numeri che rendono l’esperimento particolarmente interessante.

Ma vanno interpretati nel loro contesto.

Un risultato ottenuto in laboratorio non significa automaticamente che il materiale sia pronto per essere utilizzato negli edifici.

Prima di un’eventuale applicazione industriale servirebbero infatti ulteriori verifiche sulla durabilità, sulla stabilità delle prestazioni, sulla standardizzazione del materiale e sulla sicurezza dell’intero processo produttivo.

Perché il biochar può modificare il comportamento del calcestruzzo

Il comportamento del biochar all’interno di una matrice cementizia dipende da numerosi fattori, tra cui dimensione delle particelle, porosità, composizione chimica, quantità utilizzata e modalità di produzione.

Le particelle di biochar possono modificare la struttura interna della miscela e interagire con la matrice cementizia.

È proprio per questo che la percentuale utilizzata diventa fondamentale.

Una quantità troppo elevata di materiale alternativo può infatti produrre effetti indesiderati, mentre una sostituzione contenuta può risultare più compatibile con l’equilibrio complessivo della miscela.

Il calcestruzzo è, in fondo, un materiale estremamente sensibile alle proporzioni.

Cambiare un solo ingrediente significa cambiare il comportamento dell’intero sistema.

Il vantaggio ambientale non è soltanto quello che sembra

La possibile utilità di questa tecnologia non riguarda esclusivamente la riduzione del cemento.

C’è un secondo problema: quello della gestione dei fanghi derivanti dal trattamento dei reflui.

Gli impianti di depurazione devono gestire enormi quantità di materiali residui. Trasformarne una parte in una materia prima potenzialmente utilizzabile significa esplorare un modello nel quale un rifiuto può diventare una risorsa.

È il principio dell’economia circolare applicato all’edilizia.

Invece di considerare separatamente il problema delle emissioni del cemento e quello della gestione dei residui organici, una tecnologia di questo tipo prova a mettere in comunicazione i due settori.

Il biochar potrebbe diventare quindi una sorta di ponte tra gestione dei rifiuti e produzione di materiali da costruzione.

Il parallelo con altri materiali di scarto

L’idea non nasce dal nulla.

Da anni la ricerca studia la possibilità di utilizzare residui industriali, agricoli e organici all’interno delle miscele cementizie.

Lolla di riso, segatura, residui legnosi e altre biomasse sono già stati studiati come fonti di materiali alternativi.

Il principio è sempre simile: individuare un rifiuto che possieda caratteristiche compatibili con una determinata applicazione e trasformarlo attraverso un processo controllato.

La novità dell’esperimento indiano sta soprattutto nell’origine del materiale utilizzato per produrre il biochar.

Ed è proprio questo aspetto a rendere la ricerca tanto sorprendente agli occhi del pubblico.

Non basta che sia più resistente: deve anche essere sicuro

La domanda più importante, oltre alla resistenza, è naturalmente un’altra: è sicuro?

La risposta non può essere data semplicemente osservando un cubetto di calcestruzzo indurito.

Il materiale di partenza proviene infatti da un flusso di rifiuti biologici e deve essere sottoposto a trattamenti adeguati.

Per un’eventuale applicazione su larga scala sarebbe necessario garantire un controllo rigoroso della materia prima e del processo di pirolisi, oltre a verificare la presenza e il destino di eventuali contaminanti.

La standardizzazione sarebbe altrettanto importante.

Un materiale destinato all’edilizia non può avere caratteristiche che cambiano radicalmente da un lotto all’altro. Composizione, prestazioni e sicurezza devono essere prevedibili e verificabili.

È uno dei principali ostacoli che separano una promettente ricerca di laboratorio da una tecnologia commerciale.

Il problema della durabilità

C’è poi la questione del tempo.

Un edificio non deve essere resistente soltanto dopo pochi giorni o qualche mese. Deve mantenere prestazioni adeguate per anni e, idealmente, per decenni.

Per questo i ricercatori dovranno continuare a studiare come il biochar da fanghi fecali si comporta nel lungo periodo.

Saranno importanti test relativi a cicli di umidità e asciugatura, variazioni di temperatura, penetrazione dell’acqua, degrado e stabilità meccanica.

Anche l’interazione con altri componenti del calcestruzzo dovrà essere analizzata in condizioni diverse da quelle controllate del laboratorio.

Solo una valutazione complessiva potrà stabilire se il materiale sia realmente adatto a specifiche applicazioni.

Una tecnologia che potrebbe ridurre gli sprechi

Se i risultati saranno confermati da ulteriori ricerche, il valore di questa tecnologia potrebbe andare oltre il semplice dato sulla resistenza.

L’obiettivo più ambizioso sarebbe costruire un sistema nel quale un rifiuto difficile da gestire viene trasformato in un componente utile per un altro settore industriale.

È uno dei principi fondamentali dell’economia circolare: non chiedersi soltanto come smaltire un materiale, ma se sia possibile reinserirlo in un ciclo produttivo.

Nel caso dei fanghi fecali, la sfida è particolarmente complessa perché si tratta di un materiale che richiede trattamento e controllo rigorosi.

Ma proprio per questo, riuscire a trasformarlo in una risorsa stabile e standardizzata avrebbe un valore potenzialmente significativo.

Dal laboratorio ai cantieri: il passaggio più difficile

La distanza tra un esperimento riuscito e una rivoluzione dell’edilizia, tuttavia, è ancora notevole.

Serviranno ulteriori studi, test su scala maggiore, valutazioni ambientali dell’intero ciclo di vita e verifiche normative.

Bisognerà inoltre capire quanto costi produrre il biochar, quanta energia richieda il trattamento, quanto sia facile trasportarlo e inserirlo nei normali processi industriali.

Anche il bilancio ambientale dovrà essere valutato complessivamente.

Un materiale può essere prodotto da un rifiuto e contemporaneamente richiedere così tanta energia per essere trasformato da ridurre il beneficio complessivo. Per questo non basta chiedersi se il nuovo calcestruzzo sia più resistente.

Bisogna chiedersi quanto sia realmente sostenibile dalla produzione fino alla fine della sua vita utile.

Il futuro dell’edilizia potrebbe nascere dagli scarti

L’aspetto più affascinante di questa ricerca è forse proprio il cambio di prospettiva che propone.

Per decenni abbiamo considerato rifiuti e materiali da costruzione come due mondi separati. Da una parte ciò che deve essere smaltito, dall’altra ciò che deve essere prodotto.

La ricerca sui materiali alternativi prova invece a invertire la logica: ciò che oggi chiamiamo rifiuto potrebbe diventare la materia prima di domani.

Il biochar prodotto dai fanghi fecali è ancora una tecnologia sperimentale e non può essere presentato come il nuovo cemento destinato a rivoluzionare immediatamente i cantieri.

Ma i risultati ottenuti rendono interessante continuare a studiarlo.

Perché dietro il titolo sorprendente del “calcestruzzo fatto con le feci” c’è una questione molto più seria: come costruire un futuro nel quale l’edilizia consumi meno risorse, produca meno emissioni e riesca a valorizzare una parte crescente dei materiali che oggi consideriamo semplicemente rifiuti.

E forse la vera rivoluzione non sarà costruire case con ciò che eliminiamo.

Sarà imparare a non chiamarlo più soltanto scarto.