科學家發展出應對海岸侵蝕的簡單解決方案：利用電流凝固海沙
美國西北大學的研究人員已經證明，電能可以使海洋海岸線世代堅固，減輕海平面上升和氣候變遷帶來的日益嚴重的侵蝕威脅。在最近發表在《地球與環境通訊》（Communications Earth and the Environment）上的這項研究中，研究人員從蛤、貽貝和其他貝殼類海洋生物中汲取了靈感。同樣，研究人員利用同樣的天然溶解礦物質在海水浸泡過的沙粒之間形成天然膠結物。但是，研究人員並沒有像軟體動物那樣利用新陳代謝的能量，而是利用電能來刺激化學反應。
電力如何用於加固海岸線的藝術印象
在實驗室實驗中，輕微的電流瞬間改變了海沙的結構，使其變成了像岩石一樣不可移動的固體。研究人員希望這種策略能為加固全球海岸線提供一種持久、廉價且永續的解決方案。
“超過40% 的世界人口生活在沿海地區。由於氣候變遷和海平面上升，侵蝕對這些社區構成了巨大威脅。透過基礎設施的瓦解和土地的喪失，侵蝕每年在全世界造成數十億美元的損失。方法包括建造保護結構或向地下注入外部黏合劑。
“我的目標是開發一種能夠改變海岸保護現狀的方法–一種不需要建造保護結構，並且能夠在不使用實際水泥的情況下固結海洋基質的方法。透過對海洋土壤施加溫和的電刺激，我們系統地從力學角度證明，通過將海水中自然溶解的礦物質轉化為固體礦物粘合劑–一種天然水泥–來固結海洋土壤是可行的”。
羅塔-洛里亞實驗室中被海水浸泡過的沙子樣本。垂直的銀柱是電極。資料來源：西北大學
從暴雨加劇到海平面上升，氣候變遷創造了逐漸侵蝕海岸線的條件。根據歐盟委員會聯合研究中心2020 年的研究，到本世紀末，地球上近26% 的海灘將被沖毀。
為了緩解這個問題，社區主要採取了兩種方法：建造保護結構和屏障（如海堤），或向地下注入水泥以加固海洋基質（主要由沙子構成）。然而，這些策略也伴隨著多種問題。這些傳統方法不僅極為昂貴，而且不能持久。
羅塔-洛里亞說：「海牆也會受到侵蝕。因此，隨著時間的推移，海牆下的沙子會被侵蝕，海牆最終會倒塌。通常情況下，保護結構是用大石頭砌成的，每英里造價數百萬美元。環境弊端。
天然水泥的顯微影像。資料來源：西北大學
為了繞過這些問題，羅塔-洛里亞和他的團隊受珊瑚和軟體動物的啟發，開發出更簡單的技術。海水天然含有大量離子和溶解礦物質。當向水中施加溫和的電流（2 到3 伏特）時，就會引發化學反應。這會將其中一些成分轉化為固體碳酸鈣–軟體動物用這種礦物質來建造自己的外殼。同樣，在電壓稍高（4 伏特）的情況下，這些成分可以主要轉化為氫氧化鎂和水鎂石，這是一種在各種石頭中隨處可見的礦物。
當這些礦物質在沙子中凝聚時，它們就像膠水一樣將沙子顆粒粘合在一起。在實驗室中，這個過程也適用於各種類型的沙子–從普通的矽砂和鈣質砂到火山附近常見的鐵砂。
Rotta Loria 說：”經過處理後，沙子看起來就像石頭一樣。它是靜止的、堅固的，而不是顆粒狀的、不連貫的。礦物質本身就比混凝土堅固得多，因此處理後的沙子可以變得像海堤一樣堅固。
雖然礦物質在通電後會立即形成，但長時間的電刺激會產生更顯著的效果。 Rotta Loria 說：”我們注意到，僅僅幾天的刺激就能取得顯著效果。然後，經過處理的沙子應該會留在原地，無需進一步幹預。”
來自Rotta Loria 實驗室的經過溫和電力處理的強化沙樣本。資料來源：西北大學
羅塔-洛里亞預計，經過處理的沙子應能保持其耐久性，並在數十年內保護海岸線和財產。他還說，不必擔心會對海洋生物造成負面影響。在這過程中使用的電壓太低，海洋生物感覺不到。其他研究人員也用類似的方法加強海底結構，甚至修復珊瑚礁。在這些情況下，海洋生物都沒有受到傷害。
如果社區決定不再需要凝固的沙子，Rotta Loria 也有解決方案，因為這個過程是完全可逆的。當切換電池的陽極和陰極電極時，電力會溶解礦物質，從而有效地逆轉整個過程。
Rotta Loria 說：”礦物的形成是因為我們局部提高了陰極界面周圍海水的pH 值。如果將陽極與陰極互換，那麼就會涉及局部pH 值的降低，從而溶解先前沉澱的礦物質。”
與傳統方法相比，此製程成本低廉。經過計算，羅塔-洛里亞的團隊估計，他的製程每立方公尺電固結地面的成本僅為3 到6 美元。而使用黏合劑黏合和加固沙子的較成熟的同類方法，相同單位體積的成本高達70 美元。
羅塔-洛里亞實驗室的研究表明，這種方法也能修復開裂的鋼筋混凝土結構。現有的海岸基礎設施大多由鋼筋混凝土製成，它們會因海平面上升、侵蝕和極端天氣造成的複雜影響而解體。如果這些結構出現裂縫，新方法就不需要完全重建基礎設施。相反，一個電脈衝就能治癒潛在的破壞性裂縫。
“這種方法的應用領域數不勝數，”羅塔-洛里亞說。 “我們可以用它來加固海堤下的海床，或穩固沙丘，保持不穩定的土坡。我們還可以用它來加固保護結構、海洋地基以及許多其他東西。有很多方法可以用來保護沿海地區”。
接下來，羅塔-洛里亞的團隊計劃在實驗室外和海灘上測試這項技術。
編譯自/ ScitechDaily