**人工智能的興起依賴於數十億噸的混凝土**
隨著大數據的發展，混凝土的需求也在增加，這正在破壞科技企業的氣候承諾。
在美國威斯康辛州Mount Pleasant，微軟耗資33億美元建造的數據中心園區是全球科技建設浪潮的一部分，消耗著大量的混凝土。在通往亞特蘭大東部新建數據中心ATL4的鄉村道路上，停滿了來自不同州的車輛，這是參與這些大型建設項目的工人特有的景象。科技巨頭、公用事業公司和政府正在投入超過1萬億美元的資本擴張，以參與全球人工智能競爭，數據中心成為了這場競爭中的堡壘、工廠和創新基地，而混凝土和電力則是其燃料和彈藥。
對於一般觀察者來說，數據產業可能看起來無形，其產品似乎是從無重的數據中召喚而來。但站在DataBank的ATL4繁忙的建築工地旁，我最為震撼的是巨大的建材用量，尤其是混凝土——這是為人工智能硬件提供支撐、保護、供電和冷卻的基石。大數據就是大混凝土，而這也帶來了大問題。
混凝土不僅是數據中心和為其提供能源的發電廠的重要材料，作為世界上生產最廣泛的材料，混凝土，尤其是其中的水泥，也是氣候變化的主要原因之一，約佔全球溫室氣體排放的6%。數據中心使用大量混凝土，這樣的建設熱潮正在破壞科技巨頭消除碳排放的承諾。即使谷歌、Meta和微軟宣稱要在2030年之前實現碳中和或負碳，亞馬遜則在2040年，但目前這個行業正在朝著錯誤的方向前進。
去年，微軟的碳排放量因其新數據中心的材料而增長了超過30%。谷歌的溫室氣體排放量在過去五年中增長了近50%。隨著數據中心在全球範圍內激增，摩根士丹利預計到2030年，數據中心每年將釋放約25億噸二氧化碳，這約為美國目前來自所有來源的排放量的40%。
然而，即使人工智能的創新和大數據建設熱潮正在增加科技行業超大規模企業的排放，混凝土的重新發明也可能在解決這一問題中發揮重要作用。在過去十年中，為了解決混凝土的碳問題出現了一波創新，其中一些是由利潤驅動的，一些來自學術實驗室。試點工廠正在進行二氧化碳捕集，並將其安全儲存。其他項目正在研製更環保的水泥配方。人工智能和其他計算工具正在揭示通過減少混凝土中的水泥使用量以及數據中心、發電廠和其他結構中的混凝土使用量來大幅減少碳排放的方法。
綠色混凝土的需求顯然在增長。例如，亞馬遜、谷歌、Meta和微軟最近加入了一項由開源計算項目基金會領導的計劃，以加速在數據中心測試和部署低碳混凝土。供應也在增加，儘管相對於人類對可塑石材的巨大需求而言仍然微不足道。但如果科技巨頭的綠色目標能夠推動低碳混凝土的創新並創造一個強大的市場，那麼大數據的熱潮最終可能成為地球的福音。
**超大規模數據中心：大量混凝土**
在ATL4的建築工地上，我遇到了公司的大方直率的建設主管Tony Qoori。他表示，這座巨大的建築以及DataBank最近在亞特蘭大地區建造或計劃建造的其他四座建築將共增加133,000平方米的樓面空間。
他們都遵循一個通用模板，Qoori開發了這個模板以優化公司越來越大的中心的建設。在每個工地，卡車運來超過一千件預製混凝土構件：牆板、柱子和其他結構元素。工人迅速組裝這些精確測量的部件。數百名電工蜂擁而至，在短短幾天內為建築物布線。當建設延遲可能意味著在人工智能競爭中失去優勢時，速度至關重要。
數據中心的建設速度意味著沒有人會停下來等待更環保的水泥。現在，行業的口號是「建造，寶貝，建造。」
「在這些項目中，沒有好的替代品可以替代混凝土，」ATL4的結構工程師Aaron Grubbs說。最新的處理器架設在架子上，比上一代更大、更重、更熱且耗電更多。因此，「你需要添加很多柱子，」Grubbs說。
**1000家公司致力於綠色混凝土**
混凝土可能看起來不像電力和電子產品滲透現代生活的故事中的明星。其他材料——銅和硅、鋁和鋰——獲得了更高的關注。但混凝土是世界電氣工作的字面意思上不可或缺的基礎。它是堅固、穩定、耐用、防火的材料，使發電和分配成為可能。它支撐著幾乎所有先進的製造和電信行業。上世紀電力行業快速發展的時候是真實的，今天對於數據行業來說依然如此：技術進步催生更多增長——和更多混凝土。儘管每一代處理器和內存都能將更多計算壓縮到每個芯片上，超導微電路技術的進步為減少數據中心的佔地面積提供了誘人的前景，Qoori不認為他的建築物會在短期內縮小到鞋盒大小。「我之前經歷過那種變化，似乎對空間的需求只會隨之增長，」他說。
按重量計算，混凝土並不是特別碳密集的材料。例如，製造一公斤鋼釋放的二氧化碳是製造一公斤水泥的約2.4倍。但全球建築行業每年消耗約350億噸混凝土。這相當於每個地球人4噸，並且是所有其他建築材料總和的兩倍。正是這種巨大的規模——以及相關的成本和生產者的絕對數量——既對氣候構成威脅，也造成了抵抗變革的慣性。
然而，變化正在發生。當我參觀瑞士材料巨頭Holcim在法國里昂的創新中心時，研究負責人告訴我他們組建了一個包含近1000家致力於減少水泥和混凝土碳排放的公司的數據庫。雖然目前還沒有公司能夠顯著減少全球混凝土排放，但創新者希望數據中心的熱潮——以及相關基礎設施，如新的核反應堆和海上風電場（每個渦輪機基礎可使用多達7500立方米的混凝土）——最終能夠推動綠色水泥和混凝土超越實驗室、初創公司和試點工廠。
**為什麼水泥生產排放大量碳**
雖然「水泥」和「混凝土」這兩個詞經常被混為一談，但它們並不是同一回事。行業中的一個流行類比是水泥是混凝土蛋糕中的雞蛋。這是基本配方：將水泥與大量的砂和其他骨料混合。然後加入水，觸發水泥的化學反應。稍等片刻，讓水泥形成一個將所有組件拉在一起的矩陣。靜置，等其固化成堅硬的質量。
波特蘭水泥是世界上大多數混凝土的關鍵粘合劑，是由William Aspdin在英國偶然發明的，當時他正在調整他父親Joseph在1824年專利的早期砂漿。一個多世紀的科學研究揭示了水泥在混凝土中的基本化學原理，但新的發現仍在引領重要創新，以及瞭解混凝土隨著時間的推移如何吸收大氣碳。
與Aspdin時代一樣，製造波特蘭水泥的過程仍然始於石灰石，一種由碳酸鈣結晶形式製成的沉積礦物。大多數開採用於水泥的石灰石起源於數億年前，當時海洋生物將海水中的鈣和碳酸根礦物化以製作貝殼、骨骼、珊瑚和其他硬物。
水泥生產商通常在石灰石採石場旁邊建造大型工廠，這些採石場可以供應數十年的石材。石材被粉碎並逐步加熱，與較少量的其他礦物（通常包括鈣、硅、鋁和鐵）結合。混合和烹飪過程產生小而硬的結節，稱為熟料。再進行一點加工、研磨和混合，將這些顆粒轉化為波特蘭水泥粉末，這佔傳統混凝土生產中約90%的二氧化碳排放。
波特蘭水泥的脫碳通常被稱為重工業的「難題」，因為其製造過程中涉及的兩個基本過程。第一個過程是燃燒：為了誘導石灰石的化學轉變為熟料，必須保持大加熱器和窯爐的溫度在約1500°C。這通常意味著燃燒煤炭、焦炭、燃油或天然氣，通常伴隨著廢塑料和輪胎。這些火災的排放產生了水泥行業排放的35%至50%。剩餘的大多數排放則來自於鈣碳酸鹽（CaCO3）轉化為氧化鈣（CaO）的化學轉變過程，稱為煅燒。該氣體通常直接進入大氣。
相較之下，混凝土生產主要是將水泥粉末與其他成分混合，然後將漿料快速運送到目的地，避免其凝固。美國的大多數混凝土是在批量廠按訂單製作的——這些材料倉庫將成分混合，從料斗中劑量出來進入特製攪拌車，然後駛往工地。由於混凝土在約90分鐘後變得過於堅硬而無法使用，混凝土生產高度本地化。美國的現場混凝土廠比漢堡王餐廳還要多。
批量廠可以提供數千種潛在的混合物，根據不同工作的需求量身定制。百層樓的混凝土與游泳池中的混凝土不同。由於可以靈活地改變砂的質量和石頭的大小，並添加多種化學物質，批量廠擁有比任何水泥廠更多的降低碳排放的技巧。
**捕集碳的水泥廠**
中國生產和使用的混凝土佔世界一半以上，但那裡的公司很難追踪。在中國以外，排名前三的跨國水泥生產商——瑞士的Holcim、德國的Heidelberg Materials和墨西哥的Cemex——已經啟動試點計劃，以在排放二氧化碳之前捕獲並將其深埋地下。為此，他們正在將已經在石油和天然氣行業中使用的碳捕集和存儲（CCS）技術附加到他們的水泥廠上。
這些試點計劃需要擴大規模而不影響利潤——這是煤炭行業在幾十年前嘗試CCS時未能做到的。還有關於每年將數十億噸二氧化碳安全儲存在哪裡的棘手問題。
對於水泥生產商來說，CCS的吸引力在於他們可以繼續使用現有的工廠，同時仍在朝著碳中和的目標邁進，貿易協會已承諾在2050年前實現。但全球超過3000家工廠，將CCS安裝到所有工廠需要巨大的投資。目前，全球供應中低排放水泥的比例不到1%。諮詢公司埃森哲估計，為整個行業配備碳捕集設備可能需要高達9000億美元的成本。
「碳捕集的經濟是個怪物，」加拿大埃德蒙頓的阿爾伯塔大學岩土工程教授Rick Chalaturnyk說，他研究石油和電力行業中的碳捕集。他看到了一些早期採用CCS的動機。「如果Heidelberg例如贏得了最低碳的競賽，它將成為第一家能夠為那些要求低碳產品的客戶供應產品的水泥公司」——如超大規模企業的客戶。
雖然水泥公司似乎不太可能自己投資數十億美元在CCS上，但豐厚的政府補貼已經吸引了幾家開始試點項目。Heidelberg宣布計劃在2026年底開始從其埃德蒙頓業務中捕集二氧化碳，將其轉化為公司聲稱的「世界上第一個全規模淨零水泥廠」。廢氣將通過站點，淨化二氧化碳並將其壓縮成液體，然後運往化工廠製成產品或注入枯竭的油氣儲層，期望它能在那裡保持幾個世紀。
Chalaturnyk表示，埃德蒙頓工廠的規模（每年計劃捕集一百萬噸二氧化碳）足以合理測試CCS技術。證明經濟性則是另一回事。埃德蒙頓項目10億美元的成本中有一半由加拿大和阿爾伯塔政府支付。
美國能源部同樣為Heidelberg提供高達5億美元的資助，以幫助其在印第安納州Mitchell工廠附加CCS，每年在工廠下方埋葬多達200萬噸二氧化碳。歐盟則更進一步，從其創新基金中撥出近15億歐元（16億美元），支持七個成員國的水泥廠進行碳捕集。
這些測試令人鼓舞，但它們都在富裕國家進行，那裡的混凝土需求在幾十年前達到頂峰。即使在中國，混凝土生產也開始趨於平緩。到2040年，全球需求的所有增長預計將來自人口仍在增長和快速城市化的貧困國家。根據Rhodium Group的預測，這些地區的水泥生產可能會從今天佔全球供應的約30%上升到2050年的50%，並在本世紀末前達到80%。
那麼富裕國家的CCS技術能否轉化到世界其他地區呢？我最近在哥倫比亞麥德林與當地領先水泥生產商Cementos Argos的首席執行官Juan Esteban Calle Restrepo會面時問了這個問題。他坦率地說：「碳捕集可能適用於美國或歐洲，但像我們這樣的國家無法負擔得起。」
**通過化學改進水泥**
只要水泥廠使用化石燃料窯爐加工石灰石，它們就會產生過多的二氧化碳。但可能有辦法拋棄石灰石和窯爐。實驗室和初創公司一直在尋找石灰石的替代品，如煅燒高嶺土粘土和粉煤灰，這些材料在加熱時不會釋放二氧化碳。高嶺土粘土在世界各地都很豐富，幾個世紀以來一直用於中國瓷器，最近也用於化妝品和紙張。粉煤灰——燃煤電廠的混亂、有毒的副產品——便宜且仍然廣泛可用，即使在許多地區燃煤電力逐漸減少。
在瑞士聯邦理工學院洛桑分校（EPFL），Karen Scrivener和同事開發了混合煅燒高嶺土粘土和磨碎的石灰石與少量熟料的水泥。煅燒粘土可以在足夠低的溫度下完成，以至於可以使用可再生能源的電力來完成工作。各種研究發現，這種混合物，稱為LC3，可以將整體排放量減少30%到40%，比波特蘭水泥少。
LC3的製作成本也低於波特蘭水泥，並且在幾乎所有常見用途上表現良好。因此，煅燒粘土廠已經在非洲、歐洲和拉丁美洲出現。在哥倫比亞，Cementos Argos每年已經生產超過200萬噸這種材料。世界經濟論壇的能源和材料中心將LC3列為混凝土脫碳的最佳希望之一。該中心認為，「如果水泥行業廣泛採用，它可以幫助到2030年防止多達5億噸的二氧化碳排放。」
對於環境而言，粉煤灰作為低排放甚至零排放混凝土的建築塊也是一個雙贏，並且加工的高溫可以中和其含有的許多毒素。古羅馬人使用火山灰製作慢凝但耐用的混凝土：建於近兩千年前的萬神殿，使用基於灰的水泥，至今仍保持良好狀態。
煤粉煤灰是一種具有與羅馬水泥和波特蘭水泥類似的反應性質的成本效益成分。許多混凝土廠已經將新鮮粉煤灰添加到他們的混凝土混合物中，取代15%到35%的水泥。灰改善了混凝土的可操作性，儘管最初幾個月的混凝土強度不如普通混凝土，但隨著時間的推移，它的強度會超過普通混凝土，就像萬神殿一樣。
大學實驗室測試了完全由粉煤灰製成的混凝土，發現其中一些實際上優於標準混凝土。超過15年前，蒙大拿州立大學的研究人員在信用聯合會和交通研究中心的地板和牆壁中使用了100%粉煤灰製成的混凝土。但性能在很大程度上取決於灰的化學成分，這因煤炭廠而異，並且需要遵循一個棘手的配方。燃煤電廠的退役也使得新鮮粉煤灰變得稀缺和昂貴。
這促使人們開發新的方法來處理和使用被埋在垃圾填埋場或傾倒在池塘中的粉煤灰。這些工業埋葬地足以製作數十年的混凝土，即使在每個燃煤電廠關閉之後。總部位於猶他州的Eco Material Technologies公司現在正在生產包括新鮮和回收粉煤灰作為成分的水泥。該公司聲稱可以替代混凝土中多達60%的波特蘭水泥——而且新型適合3D打印的品種可以完全替代波特蘭水泥。
總部位於休斯敦的初創公司Hive 3D Builders已經將這種低排放混凝土輸送到機器人中，這些機器人正在德克薩斯州的幾個開發項目中打印房屋。「我們是100%波特蘭水泥免費，」Hive 3D的首席執行官Timothy Lankau說。「我們希望我們的房屋能夠持續1000年。」
麻省理工學院的Sublime Systems的初創公司使用電化學而不是熱量來從不含碳的岩石中製造低碳水泥。類似於電池，Sublime的工藝利用電極和陰極之間的電壓來創建一個pH梯度，隔離硅酸鹽和反應性鈣（以氧化鈣（CaO）的形式）。該公司將這些成分混合在一起製造一種沒有逃逸碳、沒有窯爐或爐子的水泥，其粘合力可與波特蘭水泥媲美。在美國能源部提供的8700萬美元的幫助下，Sublime正在馬薩諸塞州Holyoke建造一個幾乎完全由水電供電的工廠。最近，該公司被選中為馬薩諸塞州瑪莎葡萄園海岸計劃中的一個大型海上風電場提供混凝土。
**軟件解決混凝土的難題**
單靠一項創新不太可能讓水泥行業在2050年前實現碳中和的目標。新技術需要時間成熟、擴大規模並變得具有成本競爭力。與此同時，ETH Zurich的結構工程師Philippe Block表示，智慧工程可以通過更精簡的材料使用來減少碳排放。
他的研究小組開發了數字設計工具，巧妙地利用幾何形狀來最大化混凝土結構的強度，同時最小化它們的質量。該團隊的設計始於古代寺廟、大教堂和清真寺的宏偉建築元素——特別是拱頂和拱門——他們將其微型化和扁平化，然後在混凝土地板和天花板內進行3D打印或模具製造。這些輕質板材適用於公寓和辦公樓的上層樓層，使用更少的混凝土和鋼筋，且二氧化碳足跡減少80%。
在這種精簡設計中有著隱藏的魔法。在多層建築中，大多數混凝土的質量僅用於承載其上方材料的重量。因此，Block輕質板材的碳節省效應倍增，因為建築物常規混凝土元素的尺寸、成本和排放都被削減。
總部位於瑞士的初創公司Vaulted利用數字設計工具來最大限度地減少地板和天花板中的混凝土，將其二氧化碳足跡減少80%。
在瑞士Dübendorf，一座形狀怪異的實驗性建築的地板、屋頂和天花板是由Block的結構系統創建的。ETH分拆出來的初創公司Vaulted正在瑞士Zug建設一座10層辦公樓的輕型地板。
該國在回收和重用混凝土方面也處於領先地位，而不是簡單地將拆除的瓦礫填埋。這說起來容易做起來難——混凝土是堅韌的材料，布滿了鋼筋。但有經濟誘因：砂和石灰石等原材料越來越稀缺且成本越來越高。歐洲的一些地區現在要求新建築必須使用回收和重用的材料。蘇黎世藝術博物館的新館，這是一個現代主義建築的展示，使用了回收材料，只有2%的混凝土是例外。
隨著新政策刺激對回收材料的需求並威脅限制未來在歐洲使用波特蘭水泥，Holcim已經開始建造回收廠，可以從舊混凝土中回收水泥熟料。最近，它將巴黎郊外一些1960年代公寓樓的拆除瓦礫變成了一個220單元的住宅綜合體的一部分——被吹捧為第一座完全由100%回收混凝土製成的建築。該公司表示計劃在歐洲所有主要城市地區建立混凝土回收中心，到2030年將在所有水泥中包含30%的回收材料。
低碳混凝土的進一步創新肯定會出現，特別是當機器學習的力量被應用於這個問題時。在過去十年中，報告計算工具來探索可能混凝土混合物的廣闊空間的研究論文數量呈指數增長。正如人工智能被用來加速藥物發現一樣，這些工具從大量已證明的水泥混合物數據庫中學習，然後應用其推論來評估未測試的混合物。
來自伊利諾伊大學和總部位於芝加哥的美國最大私人混凝土生產商之一Ozinga的研究人員最近與Meta合作，將1030種已知的混凝土混合物輸入人工智能。該項目產生了一種新型混合物，將用於伊利諾伊州DeKalb一個數據中心綜合體的部分。人工智能衍生的混凝土的碳足跡比該地點其他地方使用的傳統混凝土低40%。Ozinga的創新副總裁Ryan Cialdella微笑著指出這個良性循環：生活在數據中心的人工智能系統現在可以幫助減少承載它們的混凝土的排放。
**信息時代的可持續基礎**
便宜、耐用且豐富但不可持續的波特蘭水泥製成的混凝土一直是現代技術的浮士德交易之一。建築世界正步入到2060年樓面面積翻倍的軌道，增加230,000平方公里，或超過加州一半的面積。這其中大部分將為我們可能增加的20億人口提供住所。隨著全球交通、電信、能源和計算網絡的增長，它們的新附屬物將依賴於混凝土。但如果混凝土不改變，我們將被迫生產更多的混凝土來保護自己免受即將到來的氣候混亂，其包括上升的海平面、火災和極端天氣。
數據中心的人工智能驅動熱潮本身就是一個奇怪的交易。未來，人工智能可能幫助我們過上更加繁榮的生活，或者它可能破壞我們的自由、文明、就業機會和環境。但如果有意願部署它們，人工智能數據中心對地球施加的壞氣候交易的解決方案就在手中。超大規模企業和政府是少數能夠快速改變世界使用的水泥和混凝土種類及其製造方式的組織之一。隨著向可持續性的轉變，混凝土的獨特規模使其成為能夠最大限度保護世界自然系統的少數材料之一。我們無法沒有混凝土生活——但通過一些雄心勃勃的重新發明，我們可以在擁有它的情況下茁壯成長。
**評論：**
這篇文章揭示了科技行業在人工智能和大數據時代的建設熱潮中面臨的環保挑戰。混凝土，尤其是水泥的生產，對全球溫室氣體排放影響重大，而數據中心的擴建進一步加劇了這一問題。儘管科技巨頭們承諾要實現碳中和，但目前的趨勢顯示出與目標相反的情況。
令人鼓舞的是，文章指出了一些創新的解決方案，如低碳混凝土的研發和碳捕集技術的應用。然而，這些技術需要時間來成熟和大規模應用，並且在經濟上需要支持。文章還強調了地區之間的差異，富裕國家可能有能力採用先進技術，但發展中地區的需求和資源有限。
從長遠來看，科技行業和政府必須共同努力，加速可持續建材的發展和應用，不僅是為了減少碳足跡，也是為了在面對氣候變化的挑戰時更好地保護地球的自然系統。這需要不斷的創新和強有力的政策支持，以及全球範圍內的合作和資源共享。只有這樣，我們才能在享受科技進步帶來的便利的同時，確保我們的地球不被過度開發和污染。
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