Geht der Welt wirklich der Sand aus?

• Die Aussage, dass der Welt der Sand an sich ausgeht, ist eher übertrieben; das Problem bei Bausand ist näher an einem Versorgungsproblem, in dem Qualität, Standort, Kosten und Umweltauflagen miteinander verknüpft sind
• Für Betonsand sind Korngröße und Verteilung wichtig, und auch in Regionen mit wenig Natursand kann man durch Zerkleinern großer Gesteine und anschließendes Sieben hergestellten Sand produzieren
• Die verbreitete Annahme, dass runder Wüstensand nicht für Beton geeignet sei, ist vereinfacht; die tatsächliche Leistung hängt nicht nur von der Kornform, sondern stark auch von der Verarbeitbarkeit und dem Wasser-Zement-Verhältnis ab
• In einem Garagenversuch war Beton mit kantigem hergestelltem Sand bei gleichem Mischungsverhältnis dreimal so fest, doch bei gleicher Verarbeitbarkeit benötigte die Mischung mit rundem Sand 30 % weniger Wasser und war etwa 10 % fester
• Die Belastung durch Sandgewinnung sollte als ingenieurtechnischer und wirtschaftlicher Trade-off betrachtet werden, der Transportkosten, Umweltschäden durch Flussabbau, Kosten der Regeltreue und Recyclingmöglichkeiten einschließt

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Ein komplexeres Baustoffproblem als die These vom Sandschwund

• Sand wird für Glas, Halbleiter, Glasfaser, Filter, Schleifmittel, Oberflächenstrukturen, Spiel, Gestaltung und viele weitere Zwecke verwendet; im Bauwesen ist er insbesondere ein zentraler Bestandteil von Beton
• Beton lässt sich aus einfachen Materialien wie Wasser, Zement, Kies und Sand herstellen, ist günstig, langlebig und kann in viele Formen gebracht werden
• Bausand wird in der Regel in der Nähe des Einsatzorts gewonnen
  • Transportkosten machen einen großen Teil der Sandkosten aus
  • Die Entfernung zwischen Abbauort und Verwendungsort ist direkt mit der Wirtschaftlichkeit verbunden
• Flusssand ist oft gut für Beton geeignet, doch Flussabbau kann die Eigenschaften eines Gewässers verändern und sowohl Ober- als auch Unterlauf beeinflussen
• Sand ist eine nicht erneuerbare Ressource, weil er viel schneller verbraucht als durch geologische Prozesse neu gebildet wird, aber man kann auch durch das Zerkleinern großer Gesteine Bausand herstellen

Wie Sand im Ingenieurwesen unterschieden wird

• Im USDA-Bodendreieck werden körnige Materialien mit mehr als 85 % Sandanteil als Sand eingestuft
• Im Unified Soil Classification System (USCS) ist die Korngröße das zentrale Kriterium
  • Mehr als die Hälfte der Partikel muss ein Number-4-Sieb, also etwa 5 mm, passieren
  • Mehr als die Hälfte der Partikel darf kein Number-200-Sieb, also etwa 75 Mikrometer, passieren
• Der saubere Sand, den man sich typischerweise vorstellt, entspricht nach USCS eher clean sand und enthält weniger als 12 % Partikel, die das Number-200-Sieb passieren
• Diese Kriterien zeigen, dass Sand kein einheitliches Material ist, sondern ein recht breites Spektrum körniger Böden umfasst

Hergestellter Sand und die Betonleistung von rundem Sand

• Hergestellter Sand kann erzeugt werden, indem man große Gesteine zerkleinert und dann zu große und zu kleine Partikel heraussiebt
  • Steinbrüche und Brechanlagen zur Herstellung grober Zuschläge wie Kies existieren bereits
  • In manchen Fällen können die feinen Partikel ein Nebenprodukt sein
  • Ein Abbau im Binnenland statt im Flussraum könnte die Umweltbelastung verringern
• Die Kornform beeinflusst die Festigkeit von Beton
  • Im Trommler abgeriebener Sand hat runde und glatte Partikel
  • Zerkleinerter Sand hat scharfe und kantige Partikel
  • Schüttet man die gleiche Menge auf, breitet sich runder Sand wegen geringerer Reibung weiter aus
• In Versuchsrezepturen mit gleichem Materialgewicht war Beton mit kantigem hergestelltem Sand fester
  • Beton mit rundem Sand versagte bei etwa 2.500 Practical-Engineering-Einheiten
  • Beton mit hergestellt em Sand versagte bei etwa 7.500 Einheiten
  • Es handelte sich um einen Garagenversuch mit nur einer Probe, und die Wägezelle war nicht kalibriert
• Auch frühere Studien zeigen: Wenn andere Bedingungen gleich bleiben, steigt die Betonfestigkeit mit zunehmender Kantigkeit des Feinzuschlags

Der Mythos vom Wüstensand und das Wasser-Zement-Verhältnis

• Beton wird nicht nur nach Festigkeit bewertet; vor dem Aushärten ist auch die Verarbeitbarkeit wichtig, also ob er sich in eine Schalung einbringen und verdichten lässt
• Verarbeitbarkeit wird häufig mit dem Setzmaßversuch gemessen
  • Beton wird in einen Kegel gefüllt, der anschließend angehoben wird
  • Wie stark der Beton zusammensackt, zeigt seine Fließfähigkeit
• Gibt man zur besseren Verarbeitbarkeit mehr Wasser hinzu, fließt der Beton zwar besser, wird aber schwächer
  • Zement ist kein Klebstoff, der durch Verdunstung des Wassers aushärtet, sondern härtet durch eine chemische Reaktion aus, in die Wasser eingeht
  • Zement kann mit Wasser in einer Menge von etwa 35 % seines Eigengewichts reagieren
  • Darüber hinausgehendes Wasser nimmt Volumen ein, das sonst ein stärkeres Material ausfüllen könnte
• Bei einer erneuten Mischung auf gleiche Verarbeitbarkeit änderte sich das Ergebnis
  • Die Mischung mit hergestellt em Sand brauchte 100 ml Wasser, um die gleiche Verarbeitbarkeit zu erreichen
  • Die Mischung mit rundem Sand benötigte nur 70 ml und damit 30 % weniger Wasser
  • Im Bruchversuch nach einer Woche versagte die Probe mit rundem Sand bei 4.800 Einheiten, die mit hergestellt em Sand bei 4.300 Einheiten
• Die Aussage, runder Sand sei für Beton ungeeignet, ist eher ein vereinfachter Mythos
  • Laut einem Bulletin des American Concrete Institute ist der Einfluss von Form und Oberflächenstruktur des Feinzuschlags auf die Festigkeit von erhärtetem Beton fast vollständig mit dem daraus resultierenden Wasser-Zement-Verhältnis verknüpft
  • Der von Vince Beiser zitierte UN-Text stützte sich auf eine chinesische Arbeit von 2006 zu Wüstensand, doch diese Arbeit maß den Rundungsgrad der Körner nicht und interpretierte die Ergebnisse auch nicht über diese Eigenschaft
  • In der Schlussfolgerung der Arbeit steht vielmehr, dass Wüstensand eine praktikable Alternative zu anderen Feinzuschlägen für Beton sein kann
  • Der Kernpunkt dieser Forschung betrifft eher die Kornverteilung als die Kornform

Die eigentlichen Grenzen sind Kosten, Umweltfolgen und Materialversorgung

• Feinzuschläge kommen weltweit vor und lassen sich auch direkt herstellen, doch in der Praxis des Bauens ist der entscheidende Engpass der Preis
• Hergestellter Sand kann teurer sein als der Abbau eines natürlichen Materials, das direkt in die Mischung gegeben werden kann
  • Um die Verarbeitbarkeit sicherzustellen, können zusätzliche Materialien wie chemische Zusatzmittel nötig sein
  • Auch der Transport hochwertigen Sands über große Entfernungen treibt die Kosten
  • Hinzu kommen steigende Kosten, um unter weltweit strengeren Umweltauflagen abbauen zu können
• Statt zu sagen, dass „Feinzuschläge auf der Erde knapp werden“, ist es treffender zu sagen, dass „Sand viel teurer wird als früher“
• Der niedrige Preis und die große Verfügbarkeit von Sand sind einer der Gründe für den breiten Einsatz von Beton; wenn sich die Wirtschaftlichkeit von Sand ändert, könnten sich auch Ingenieurwesen und Bauindustrie mitverändern
• Auch bei anderen Materialien haben veränderte Versorgungswege die Nachfrage und Nutzung verändert
  • 99 % der Industriediamanten sind synthetische Diamanten
  • Mehr als ein Drittel des weltweiten Holzverbrauchs stammt aus Plantagen, die eigens zur Holzernte angelegt wurden
  • Holzwerkstoffe wie Sperrholz, OSB und strukturelle Verbundwerkstoffe können Rohmaterial effizienter nutzen
• Auch Beton kann nach dem Zerkleinern als Zuschlag recycelt und in neuem Beton oder anderen Baustoffen wiederverwendet werden
  • Das kann die Nachfrage nach natürlichen Quellen verringern
• Die Nachfrage nach Sand und Kies in der Bauindustrie wächst zwar, doch das Problem besteht weniger darin, dass der Welt das Material selbst ausgeht, sondern darin, dass Beschaffungskosten sowie Umwelt- und Zukunftskosten stärker erkannt und eingepreist werden

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Meinungen auf Hacker News

• Was mich beim Einstieg ins Schleppergeschäft überrascht hat: Ein Land kann zugleich Sandexporteur und Sandimporteur sein.
  Bestimmte Sandsorten gehen für Beton aus den USA auf die Bahamas, andere Sorten für Aquarien von den Bahamas in die USA.
  Spezial­sand wird auch für normgerechte Beachvolleyballfelder verwendet.

  • Aus Sicht eines altmodischen Computerprogrammierungs-Nerds fühlt es sich erstaunlich an, dass im selben Forum auch Schlepperunternehmer unterwegs sind.
  • Spezial­sand gibt es wirklich in vielen Varianten.
    Als die Sandgrube für den Weitsprung unseres örtlichen Leichtathletikverbands erneuert wurde, erfuhren wir, dass man Flussbettsand verwenden muss, keinen industriell gebrochenen Sand.
    Der Grund ist, dass durch die ständige Reibung im Flusswasser die scharfen Kanten abgeschliffen werden und er daher weniger Schürfwunden verursacht.
    Sand ist eben nicht einfach Sand.
  • Dass ein Land dieselbe Ware sowohl exportiert als auch importiert, ist ziemlich üblich.
    Deutschland zum Beispiel importiert viele Autos und exportiert auch viele.
  • Handel ist die Technik, Sand für Beton in Sand für Aquarien zu verwandeln.
  • Es geht zwar nicht um Sand, aber ich erinnere mich, gelesen zu haben, dass Colorado beim Bau der I-70 durch die Rockies Spezialerde aus aller Welt importiert hat.
    Offenbar wurden mehrere Materialeigenschaften benötigt, die in der lokalen Erde nicht zu finden waren.

• Wenn zitierfähige Quellen wie Beisers Buch und ein UN-Text Fehler machen, scheint sich ziemlich oft das Muster zu zeigen, dass sich dieser Fehler trotz seiner Falschheit wie Allgemeinwissen verbreitet.
  Es gibt viele hervorragende Blogbeiträge, in denen Autorinnen und Autoren tief graben und Fehler über mehrere Ebenen hinweg aufdecken, doch weil sie nicht die Art von „zitierfähiger“ Quelle sind, die Wissenschaft oder Wikipedia akzeptieren, verbreiten sich falsche Behauptungen weiter.
  Die Frage zu lösen, „was als zitierfähige Quelle gelten soll“, ist kompliziert; bis dahin bräuchte es aber zumindest eine einfache und regelmäßige Möglichkeit, gut recherchierte Funde und Korrekturen aus nichtwissenschaftlichen Quellen in eine zitierfähige Form zu überführen.

  • Die Kriterien, nach denen Wikipedia „zitierfähige Quellen“ bestimmt, sind im besten Fall locker und im schlechtesten Fall anfällig für böswillige Nutzung.
    Besonders bei gesellschaftlichen Themen gibt es viele Beispiele, in denen „ungeeignete“ Quellen akzeptiert werden, weil sie einer bestimmten Sichtweise nützen.
    STEM-Bereiche sind im Allgemeinen in Ordnung, aber Einträge über menschliches Leben sollte man vorsichtig betrachten, weil wichtige Quellentypen fehlen und Biografien oft verzerrt sind.
  • Das BBC-Programm zu Mathematik und Statistik More or Less nennt solche Statistiken „Zombie-Statistiken“.
    Ein anfangs falsch zitiertes Faktum ist als griffiger Satz nützlich und wird deshalb immer wiederholt, obwohl es mehrfach widerlegt wurde.

• Grady ist so etwas wie ein Held der Technikberichterstattung und -dokumentation.
  Durch Practical Engineering habe ich unglaublich viel darüber gelernt, wie die Welt in anderen Ingenieurdisziplinen funktioniert, und er behandelt oft vernachlässigte Bereiche, in denen Fachkräfte schneller abwandern, als neue nachkommen.
  Es ist hoffnungsvoll, dass Teenager seine Videos sehen und dadurch Lust bekommen könnten, in den Infrastrukturbereich zu gehen; besonders schätze ich die ruhige, rationale Perspektive, die heutigen Videoinhalten oft fehlt.

  • Stimme völlig zu. Er erklärt unterschiedliche Ansätze und Trade-offs ruhig und sachlich.
    Als klassischen Journalisten würde man ihn schwerlich bezeichnen, aber wenn die Zukunft des Journalismus so aussieht, fände ich das gut.
    Also Menschen mit Fachkompetenz in einem Gebiet, die ihr eigenes Feld einfach und klar erklären.
  • So ging es mir vor etwa zehn Jahren: Die Verlockung der FAANG-Vergütung war zu groß, also wechselte ich nach einem Jahr Bauingenieurwesen zu Elektrotechnik/Informatik.
    Ich frage mich, ob wir die Auswirkungen dieser Umverteilung von Talenten irgendwann wirklich spüren werden und ob Bauingenieurwesen dann ein besser bezahlter Beruf wird.

• Ironischerweise bin ich gerade auf eine völlig andere „Sandkatastrophe“ gestoßen: https://mastodon.social/@mimsical/113232531800424706
  Darin geht es darum, dass die Tiegel zur Herstellung der Silizium-Ingots, aus denen Mikrochips werden, aus ultrahochreinem Quarzsand bestehen und 70 % der weltweiten Versorgung von einem einzigen Ort in North Carolina stammen: Spruce Pine.

  • Es gab einen HN-Beitrag darüber, dass ein zentraler Knoten der globalen Halbleiter-Lieferkette durch Hurricane Helene beschädigt wurde.
    https://news.ycombinator.com/item?id=41701862
  • Eine schnelle Suche legt nahe, dass es außer North Carolina noch weitere Orte gibt, an denen man dieses Material gewinnen kann.
    Mich interessiert, ob diese Mine derzeit einfach die billigste ist und alle auf alternative Lieferquellen ausweichen könnten, falls sie verschwindet, oder ob es überhaupt keine Alternative gäbe, wenn diese Mine ausfiele.
  • Eine von Künstlern häufig verwendete Glascharge, also eine Mischung von Rohstoffen, die zur Glasherstellung geschmolzen wird, heißt Spruce Pine Batch.
  • In Spruce Pine wird nicht Sand verwendet, sondern es werden große Quarzkristalle aus Pegmatit abgebaut.
  • Vor etwa sechs Monaten habe ich zu einem HN-Beitrag diesen Kommentar geschrieben: https://news.ycombinator.com/item?id=39818778
    Leider haben die enormen Schäden im Westen North Carolinas nun die Gelegenheit geschaffen, diese Hypothese zu testen.
    Die Hypothese lautet, dass selbst ein Stillstand von Spruce Pine insgesamt nur vergleichsweise unauffällige Auswirkungen auf die weltweite Halbleiterindustrie hätte.

• Ein wirklich interessantes Video.
  Es ist das erste Mal, dass ich gesehen habe, wie die offenbar völlig erfunden wirkende Vorstellung, Wüstensand sei für den Bau ungeeignet, direkt infrage gestellt wird.
  Ich glaube, ich hatte diese Idee schon in meinem Kopf akzeptiert, ohne sie ausreichend zu überprüfen.

• In Deutschland kommt es vor, dass man sogar dafür bezahlt, überschüssigen Strom loszuwerden, wenn viel Sonne scheint und viel Wind weht.
  Da frage ich mich, ob man mit diesem billigen Strom nicht Gesteinsbrecher betreiben und mehr Sand herstellen könnte.

  • Eine Möglichkeit, Strom zu nutzen, wenn der Preis bei null oder negativ liegt, ist, Hochtemperaturwärme in feuerfesten Festkörpern zu speichern.
    Das ist ein Verfahren, das Menschen nutzen, die eigentlich Brennstoff verbrennen, um Wärme zu gewinnen: Man kann Luft vorwärmen und so den benötigten Brennstoff reduzieren oder sogar auf null bringen.
    Feuerfeste Steine halten etwa 1000 °C aus, und ein Spin-off des MIT verwendet spezielle, mit Nickel dotierte Chromoxid-Steine, die bis zu 1800 °C arbeiten, also nahe an der Flammentemperatur von Erdgas-Luft-Gemischen.
    Diese Steine sind elektrisch leitfähig und können daher selbst als Heizelement dienen.
    https://www.fastcompany.com/91129126/these-bricks-conduct-el...
    https://electrifiedthermal.com/
    https://dspace.mit.edu/handle/1721.1/130800
  • Die Kapitalkosten für ungenutzte Anlagen dürften deutlich höher sein als die Kosten dafür, andere dafür zu bezahlen, den Strom abzunehmen.
    Je nach Ausmaß der Preisschwankungen könnten Batterien eine deutlich bessere Investition sein.
  • Bei solchen Gelegenheiten verstehe ich nicht, warum nicht Bitcoin-Miner darauf anspringen.
  • Nur weil der Strom kostenlos ist, ist die Produktion nicht kostenlos.
    Es gibt Arbeitskosten, Maschinenverschleiß und die Opportunitätskosten, das Geld nicht anderswo einzusetzen.
    Einen solchen Brecher zu bauen und ihn nach aktuellem Stand nur für einen kleinen Prozentsatz der Zeit laufen zu lassen, ist möglicherweise keine gute Investition.
  • Um diese Gelegenheit zu nutzen, scheint es an der Zeit zu sein, eine Schwerkraftbatterie zu installieren.

• Das erwähnte Buch ist The World in a Grain: The Story of Sand and How It Transformed Civilization von Vince Beiser.
  Es erzählt von Sand als einer immer wichtigeren und knapper werdenden natürlichen Ressource, und von den Menschen, die ihn abbauen, verkaufen, zum Bauen verwenden und manchmal sogar wegen ihm töten.
  Es behandelt auch die gravierenden menschlichen und ökologischen Kosten, die aus unserer Abhängigkeit von Sand entstehen, und erklärt auf einer Reise von den USA über Indien und China bis in abgelegene Regionen Dubais, warum Sand für das moderne Leben so wichtig ist.
  https://www.goodreads.com/book/show/36950075-the-world-in-a-...

  • Ein weiteres Buch zu diesem Thema ist Material World: The Six Raw Materials That Shape Modern Civilization von Ed Conway.
    https://www.goodreads.com/book/show/112974899-material-world
    Es handelt davon, wie die Grundstoffe Sand, Salz, Eisen, Kupfer, Öl und Lithium über Jahrtausende Imperien geschaffen, Zivilisationen zu Fall gebracht und menschliche Kreativität wie Gier genährt haben.
    Die moderne Welt könnte ohne sie nicht existieren, und der Kampf um ihre Kontrolle wird die Zukunft bestimmen.

• Die Aussage, dass „Beton die meisten anderen Materialien übertrifft“, stimmt.
  Laut Wikipedia ist Beton nach Wasser der am zweithäufigsten verwendete Stoff der Welt.
  Mir wurde klar, dass Beton zwar allgegenwärtig ist, ich aber noch nie wirklich darüber nachgedacht hatte, und als ich den Wikipedia-Artikel las, fand ich es erstaunlich, dass so etwas möglich ist.

  • Ich frage mich, wie es mit Dingen wie Luft oder Holz aussieht.
    Man müsste wohl auch prüfen, ob es nach Masse oder Volumen gemessen wird.

• Wenn dieser Artikel interessant war, lohnt sich Material World: A Substantial Story of Our Past and Future unbedingt.
  Es war eines der aufschlussreichsten Bücher, die ich in den letzten Jahren gelesen habe.

  • Stimme zu. Ich habe es Anfang dieses Jahres gelesen, und es hat mir viele neue Einsichten gebracht.

• Als ich vor ein paar Jahren Urlaub in Vietnam gemacht habe, wirkte das Ausbaggern von Sand im Mekong eindeutig wie ein großes Geschäft.
  Man konnte sehen, wie mit Sand voll beladene Boote den Fluss hinunterfuhren, und obwohl mir gesagt wurde, dass das eigentlich unter Schutz stehe, schien niemand es zu stoppen.
  In Vietnam scheint es ziemlich viel Korruption zu geben, und ich hörte, dass wegen der durch das Ausbaggern verursachten Erosion Häuser in den Fluss stürzen.