Il calcestruzzo del futuro conterrà feci umane: la scoperta che rivoluziona l’ingegneria

Un gruppo di ingegneri ha sperimentato l’uso di feci umane trattate come sostituto parziale del cemento nel calcestruzzo, ottenendo un materiale più ecologico, denso e resistente. Un’idea che richiama, sorprendentemente, la chimica alla base delle costruzioni dell’antica Roma.

Il problema ambientale del cemento

Il calcestruzzo è alla base di quasi ogni costruzione sul pianeta, ma la produzione del cemento uno dei suoi ingredienti principali resta tra le più grandi fonti di emissioni di anidride carbonica al mondo, a causa del processo di riscaldamento e lavorazione del calcare necessario per ottenerlo. Da anni gli scienziati cercano soluzioni per ridurne l’impatto, e un team guidato dall’ingegnere civile Raghuvesh Tiwari, della Manipal University di Jaipur, in India, potrebbe aver individuato una strada capace di centrare due obiettivi ambientali contemporaneamente.

Il punto di partenza è il biochar ricavato dai fanghi fecali umani trattati negli impianti di depurazione: mescolato al calcestruzzo, questo materiale, come scrivono gli stessi autori nello studio pubblicato su Scientific Reports – riportato anche da Focus – presenta miglioramenti significativi nelle proprietà.

Un equilibrio chimico delicato

Il calcestruzzo deve la sua utilità straordinaria a una combinazione di proprietà uniche: è malleabile da bagnato, tanto da poter essere colato in qualsiasi forma, ma una volta indurito diventa resistente a carichi enormi e durevole per decenni, se non secoli. La sua composizione sabbia, ghiaia, acqua e cemento, ottenuto principalmente dal calcare richiede però proporzioni precise: alterarle, o sostituire una parte del cemento con altri materiali, rischia di comprometterne resistenza e durata.

Tra i sostituti più promettenti del cemento c’è proprio il biochar, un materiale ricco di carbonio ottenuto riscaldando materia organica in ambiente povero di ossigeno. Il suo punto di forza è la versatilità: può essere ricavato da moltissimi tipi di scarti organici, compresi quelli meno convenzionali.

Un flusso di rifiuti inesauribile

Ogni essere umano produce fino a circa 400 grammi di feci al giorno: una quantità irrisoria a livello individuale, ma che moltiplicata per miliardi di persone diventa un flusso di rifiuti enorme e continuo. In India gli impianti di trattamento dei fanghi fecali gestiscono già in sicurezza questi rifiuti, trasformandoli tramite pirolisi in biochar. Se segatura, legno e lolla di riso funzionano già come sostituti parziali del cemento, si sono chiesti i ricercatori, perché non provare anche con gli escrementi umani?

Come si è svolto l’esperimento

Il team di Tiwari ha ricavato il biochar dai fanghi fecali di un impianto di trattamento situato a Warangal, in India. Il processo prevede l’essiccazione dei fanghi, seguita da un riscaldamento a temperature comprese tra 350 e 450 gradi Celsius in ambiente povero di ossigeno; il materiale ottenuto viene poi macinato e setacciato fino a diventare una polvere fine.

Questa polvere è stata utilizzata per sostituire il cemento in percentuali variabili all’interno di miscele di calcestruzzo tradizionale, sottoposte poi a test di resistenza su ritiro, resistenza alla compressione, resistenza alla flessione, assorbimento d’acqua e porosità. Nel complesso, la miscela più performante è risultata quella con il 5% di cemento sostituito da biochar fecale.

Fino al 42% di resistenza in più

Uno degli aspetti più sorprendenti riguarda l’andamento nel tempo: il “cemento di escrementi” continuava a guadagnare resistenza durante tutto il processo di indurimento. Dopo 91 giorni, la miscela al 5% mostrava un aumento medio del 20% nella resistenza alla compressione e del 36% in quella alla flessione. Con una sostituzione del 10% i risultati sono stati ancora migliori: +21% di resistenza alla compressione e +42% di resistenza alla flessione.

Anche sulle altre proprietà il cosiddetto “poopcrete” ha mostrato buoni risultati: con il 5% di sostituzione assorbiva meno acqua, presentava porosità inferiore e minore ritiro da essiccazione rispetto al calcestruzzo convenzionale; con il 10% le prestazioni restavano in linea con gli standard. Superata però questa soglia i benefici si riducono: con il 15% di sostituzione il materiale continuava ad acquisire resistenza in fase di stagionatura, ma le prestazioni complessive risultavano inferiori rispetto alle miscele al 5% e al 10%.

Il segreto chimico sta in una tecnica antica quanto Roma

Il funzionamento del materiale si spiega attraverso tre meccanismi. Il biochar ricavato dalle feci è poroso, ricco di minuscole cavità capaci di assorbire acqua e rilasciarla gradualmente durante l’indurimento del calcestruzzo, comportandosi come piccoli serbatoi interni che mantengono l’umidità necessaria alle reazioni chimiche di rinforzo.

Essendo inoltre ricco di silice, il biochar può reagire con i composti prodotti durante la stagionatura del cemento, formando ulteriori silicati di calcio che rinforzano il materiale: si tratta di un processo pozzolanico, la stessa famiglia di reazioni chimiche che rendeva così duraturo il calcestruzzo dell’antica Roma, solo che al posto della cenere vulcanica usata dai Romani ci sono, in questo caso, escrementi umani.

Infine, le particelle fini di biochar riempiono i piccoli vuoti presenti nella struttura del calcestruzzo, migliorando la compattazione e il legame tra gli ingredienti. Le analisi al microscopio confermano questo quadro: il calcestruzzo con il 5% di biochar mostrava una struttura più densa e compatta rispetto a quello convenzionale, mentre al 15% la struttura iniziava a deteriorarsi, con più pori, crepe e zone di legame più debole.

Non ancora pronto per i grattacieli

Nonostante i risultati incoraggianti, nessuno costruirà grattacieli con il cemento agli escrementi nell’immediato. Gli stessi autori dello studio sottolineano la necessità di ulteriori ricerche per valutare le prestazioni del materiale in condizioni reali, tra cicli di gelo e disgelo, salinità e temperature estreme. Resta aperta anche la questione dell’accumulo di metalli pesanti, un problema noto legato ai fanghi di depurazione: intrappolarli nel calcestruzzo potrebbe rivelarsi un vantaggio, ma non è ancora chiaro per quanto tempo resterebbero bloccati né se, nel tempo, potrebbero disperdersi nell’ambiente.

Lo studio, va infine precisato, non ha valutato l’impatto complessivo del metodo sulle emissioni di carbonio. Ciononostante, sostituire anche solo una frazione del cemento con un materiale ricavato da un flusso di rifiuti che l’umanità produce in quantità pressoché inesauribile potrebbe rappresentare una soluzione capace di affrontare due problemi ambientali con un solo intervento.