Cementownie, takie jak ta przedstawiona na zdjęciu, są głównym źródłem dwutlenku węgla, który ociepla klimat. Niektóre z tych zanieczyszczeń można jednak przekształcić w nowy rodzaj paliwa. Sól tę można bezpiecznie przechowywać przez dziesięciolecia, a nawet dłużej.
To kolejna historia z serii, w której przyglądamy się nowym technologiom i działaniom, które mogą spowolnić zmiany klimatyczne, ograniczyć ich skutki lub pomóc społecznościom poradzić sobie z szybko zmieniającym się światem.
Działania, które uwalniają dwutlenek węgla (CO2), powszechny gaz cieplarniany, przyczyniają się do ocieplenia atmosfery ziemskiej. Pomysł pozyskiwania CO2 z powietrza i jego magazynowania nie jest nowy. Jest to jednak trudne do zrealizowania, zwłaszcza gdy ludzi na to stać. Nowy system rozwiązuje problem zanieczyszczenia CO2 w nieco inny sposób. Chemicznie przekształca on gaz ocieplający klimat w paliwo.
15 listopada naukowcy z Massachusetts Institute of Technology (MIT) w Cambridge opublikowali przełomowe wyniki swoich badań w czasopiśmie Cell Reports Physical Science.
Ich nowy system składa się z dwóch części. Pierwsza część polega na przekształcaniu dwutlenku węgla z powietrza w cząsteczkę zwaną mrówczanem, która wytwarza paliwo. Podobnie jak dwutlenek węgla, mrówczan zawiera jeden atom węgla i dwa atomy tlenu, a także jeden atom wodoru. Mrówczan zawiera również kilka innych pierwiastków. W nowym badaniu wykorzystano sól mrówczanową, która jest pochodną sodu lub potasu.
Większość ogniw paliwowych działa na wodorze, gazie łatwopalnym, którego transport wymaga rurociągów i zbiorników ciśnieniowych. Ogniwa paliwowe mogą jednak również działać na mrówczanie. Mrówczan ma wartość energetyczną porównywalną z wodorem, według Li Ju, naukowca zajmującego się materiałami, który kierował rozwojem nowego systemu. Mrówczan ma pewne zalety w porównaniu z wodorem, zauważył Li Ju. Jest bezpieczniejszy i nie wymaga magazynowania pod wysokim ciśnieniem.
Naukowcy z MIT stworzyli ogniwo paliwowe do testowania mrówczanu, który wytwarzają z dwutlenku węgla. Najpierw zmieszali sól z wodą. Mieszaninę wprowadzono następnie do ogniwa paliwowego. Wewnątrz ogniwa paliwowego mrówczan uwolnił elektrony w reakcji chemicznej. Elektrony te przepływały od elektrody ujemnej ogniwa paliwowego do elektrody dodatniej, zamykając obwód elektryczny. Te przepływające elektrony – prąd elektryczny – były obecne przez 200 godzin podczas eksperymentu.
Zhen Zhang, naukowiec zajmujący się materiałami, współpracujący z Li na MIT, jest optymistą i wierzy, że jego zespołowi uda się rozwinąć nową technologię na większą skalę w ciągu dekady.
Zespół badawczy MIT zastosował metodę chemiczną, aby przekształcić dwutlenek węgla w kluczowy składnik produkcji paliwa. Najpierw poddali go działaniu silnie zasadowego roztworu. Wybrali wodorotlenek sodu (NaOH), powszechnie znany jako ług. Wyzwala to reakcję chemiczną, w wyniku której powstaje wodorowęglan sodu (NaHCO3), lepiej znany jako soda oczyszczona.
Następnie włączyli zasilanie. Prąd elektryczny wywołał nową reakcję chemiczną, która rozszczepiła każdy atom tlenu w cząsteczce sody oczyszczonej, pozostawiając mrówczan sodu (NaCHO₂). Ich system przekształcił niemal cały węgiel zawarty w CO₂ – ponad 96 procent – ​​w tę sól.
Energia potrzebna do usunięcia tlenu jest magazynowana w wiązaniach chemicznych mrówczanu. Profesor Li zauważył, że mrówczan może magazynować tę energię przez dziesięciolecia bez utraty energii potencjalnej. Następnie, przepływając przez ogniwo paliwowe, wytwarza energię elektryczną. Jeśli energia elektryczna wykorzystywana do produkcji mrówczanu pochodzi z energii słonecznej, wiatrowej lub wodnej, energia elektryczna generowana przez ogniwo paliwowe będzie czystym źródłem energii.
Aby rozwinąć nową technologię, powiedział Lee, „musimy znaleźć bogate złoża geologiczne ługu”. Badał on rodzaj skały zwanej bazaltem alkalicznym (AL-kuh-lye buh-SALT). Po zmieszaniu z wodą skały te przekształcają się w ług.
Farzan Kazemifar jest inżynierem na Uniwersytecie Stanowym San Jose w Kalifornii. Jego badania koncentrują się na magazynowaniu dwutlenku węgla w podziemnych formacjach solnych. Jak twierdzi, usuwanie dwutlenku węgla z powietrza zawsze było trudne, a przez to kosztowne. Dlatego opłacalne jest przekształcanie CO2 w użyteczne produkty, takie jak mrówczan. Koszt produktu może zrównoważyć koszty produkcji.
Przeprowadzono wiele badań nad wychwytywaniem dwutlenku węgla z powietrza. Na przykład, zespół naukowców z Uniwersytetu Lehigh niedawno opisał inną metodę filtrowania dwutlenku węgla z powietrza i przekształcania go w sodę oczyszczoną. Inne grupy badawcze magazynują CO2 w specjalnych skałach, przekształcając go w stały węgiel, który następnie można przetworzyć na etanol, paliwo alkoholowe. Większość tych projektów ma niewielką skalę i jak dotąd nie przyniosła znaczącego wpływu na redukcję wysokiego poziomu dwutlenku węgla w powietrzu.
Na zdjęciu widać dom zasilany dwutlenkiem węgla. Urządzenie pokazane na zdjęciu przekształca dwutlenek węgla (cząsteczki w czerwonych i białych bąbelkach) w sól zwaną mrówczanem (niebieskie, czerwone, białe i czarne bąbelki). Sól ta może być następnie wykorzystana w ogniwie paliwowym do wytwarzania energii elektrycznej.
Kazemifar powiedział, że naszym najlepszym rozwiązaniem jest „najpierw ograniczenie emisji gazów cieplarnianych”. Jednym ze sposobów osiągnięcia tego celu jest zastąpienie paliw kopalnych odnawialnymi źródłami energii, takimi jak wiatr czy energia słoneczna. Jest to element transformacji, którą naukowcy nazywają „dekarbonizacją”. Dodał jednak, że powstrzymanie zmian klimatycznych będzie wymagało wielopłaszczyznowego podejścia. Ta nowa technologia jest potrzebna do wychwytywania dwutlenku węgla na obszarach, które trudno dekarbonizować, powiedział. Weźmy na przykład huty stali i cementownie.
Zespół MIT dostrzega również korzyści w połączeniu swojej nowej technologii z energią słoneczną i wiatrową. Tradycyjne akumulatory są zaprojektowane do magazynowania energii przez tygodnie. Przechowywanie letniego światła słonecznego do zimy lub dłużej wymaga innego podejścia. „Dzięki paliwu mrówczanowemu” – powiedział Lee – nie ma już ograniczeń nawet do sezonowego magazynowania. „Może to być paliwo pokoleniowe”.
Może nie lśni jak złoto, ale „mogę zostawić 200 ton… mrówczanu moim synom i córkom” – powiedział Lee – „w spadku”.
Zasadowy: Przymiotnik opisujący substancję chemiczną, która tworzy jony wodorotlenkowe (OH-) w roztworze. Roztwory te są również nazywane zasadowymi (w przeciwieństwie do kwaśnych) i mają pH powyżej 7.
Wodonośnik: Formacja skalna zdolna do magazynowania podziemnych zbiorników wody. Termin ten odnosi się również do zbiorników podziemnych.
Bazalt: Czarna skała wulkaniczna, zazwyczaj bardzo gęsta (chyba że wybuch wulkanu pozostawił w niej duże złoża gazu).
Wiązanie: (w chemii) półtrwałe połączenie między atomami (lub grupami atomów) w cząsteczce. Powstaje ono w wyniku sił przyciągania między atomami. Po utworzeniu wiązań atomy funkcjonują jako całość. Aby rozdzielić atomy składowe, do cząsteczek musi zostać dostarczona energia w postaci ciepła lub innego promieniowania.
Węgiel: Pierwiastek chemiczny stanowiący fizyczną podstawę wszelkiego życia na Ziemi. Węgiel występuje swobodnie w postaci grafitu i diamentu. Jest ważnym składnikiem węgla, wapienia i ropy naftowej oraz zdolny jest do samoistnej asocjacji chemicznej, tworząc szeroką gamę cząsteczek o wartości chemicznej, biologicznej i komercyjnej. (W badaniach nad klimatem) Termin węgiel jest czasami używany niemal zamiennie z dwutlenkiem węgla, odnosząc się do potencjalnego wpływu, jaki działanie, produkt, polityka lub proces może mieć na długoterminowe ocieplenie atmosfery.
Dwutlenek węgla (CO2): (lub CO2) to bezbarwny, bezwonny gaz wytwarzany przez wszystkie zwierzęta, gdy tlen, którym oddychają, reaguje z bogatym w węgiel pokarmem, który spożywają. Dwutlenek węgla jest również uwalniany podczas spalania materii organicznej, w tym paliw kopalnych, takich jak ropa naftowa czy gaz ziemny. Dwutlenek węgla to gaz cieplarniany, który zatrzymuje ciepło w atmosferze ziemskiej. Rośliny przekształcają dwutlenek węgla w tlen poprzez fotosyntezę i wykorzystują ten proces do produkcji własnego pożywienia.
Cement: Spoiwo używane do łączenia dwóch materiałów, powodując ich twardnienie w ciało stałe, lub gęsty klej używany do łączenia dwóch materiałów. (Budownictwo) Drobno zmielony materiał używany do łączenia piasku lub tłucznia skalnego w celu utworzenia betonu. Cement jest zazwyczaj produkowany w postaci proszku. Jednak po zamoczeniu zamienia się w błotnistą zawiesinę, która twardnieje po wyschnięciu.
Chemiczny: Substancja złożona z dwóch lub więcej atomów połączonych (połączonych) w ustalonych proporcjach i strukturze. Na przykład woda to substancja chemiczna złożona z dwóch atomów wodoru połączonych z jednym atomem tlenu. Jej wzór chemiczny to H2O. Słowo „chemiczny” może być również używane jako przymiotnik do opisania właściwości substancji wynikających z różnych reakcji między różnymi związkami.
Wiązanie chemiczne: siła przyciągania między atomami, która jest wystarczająco silna, aby elementy wiązane funkcjonowały jako całość. Niektóre przyciągania są słabe, inne silne. Wszystkie wiązania zdają się łączyć atomy poprzez dzielenie (lub próbę dzielenia) elektronów.
Reakcja chemiczna: Proces polegający na przegrupowaniu cząsteczek lub struktur substancji, a nie na zmianie jej formy fizycznej (np. ze stanu stałego w gazowy).
Chemia: dziedzina nauki badająca skład, strukturę, właściwości i interakcje substancji. Naukowcy wykorzystują tę wiedzę do badania nieznanych substancji, reprodukcji użytecznych substancji w dużych ilościach lub projektowania i tworzenia nowych użytecznych substancji. (o związkach chemicznych) Chemia odnosi się również do wzoru związku, metody jego otrzymywania lub niektórych jego właściwości. Osoby pracujące w tej dziedzinie nazywane są chemikami. (w naukach społecznych) zdolność ludzi do współpracy, dogadywania się i czerpania przyjemności ze wzajemnego towarzystwa.
Zmiana klimatu: Istotna, długotrwała zmiana klimatu Ziemi. Może wystąpić naturalnie lub w wyniku działalności człowieka, w tym spalania paliw kopalnych i wycinki lasów.
Dekarbonizacja: odnosi się do celowego odejścia od zanieczyszczających środowisko technologii, działań i źródeł energii, które emitują do atmosfery gazy cieplarniane zawierające węgiel, takie jak dwutlenek węgla i metan. Celem jest zmniejszenie ilości gazów cieplarnianych przyczyniających się do zmiany klimatu.
Prąd elektryczny: Przepływ ładunków elektrycznych, zwykle będący wynikiem ruchu ujemnie naładowanych cząstek zwanych elektronami.
Elektron: cząstka o ładunku ujemnym, która zwykle krąży wokół zewnętrznej części atomu; jest również nośnikiem prądu elektrycznego w ciałach stałych.
Inżynier: Osoba, która wykorzystuje naukę i matematykę do rozwiązywania problemów. W znaczeniu czasownikowym słowo „inżynier” odnosi się do projektowania urządzenia, materiału lub procesu w celu rozwiązania problemu lub niezaspokojonej potrzeby.
Etanol: Alkohol, zwany również alkoholem etylowym, będący podstawą napojów alkoholowych, takich jak piwo, wino i napoje spirytusowe. Jest również używany jako rozpuszczalnik i paliwo (na przykład często mieszany z benzyną).
Filtr: (rzecz.) Coś, co pozwala na przepływ niektórych materiałów, a innym na przepływ innych, w zależności od ich rozmiaru lub innych cech. (czas.) Proces selekcji pewnych substancji na podstawie takich właściwości, jak rozmiar, gęstość, ładunek itp. (w fizyce) Ekran, płyta lub warstwa substancji, która pochłania światło lub inne promieniowanie albo selektywnie zapobiega przepływaniu niektórych jej składników.
Mrówczan: Ogólny termin określający sole lub estry kwasu mrówkowego, utlenionej formy kwasu tłuszczowego. (Ester to związek chemiczny na bazie węgla, powstający w wyniku zastąpienia atomów wodoru niektórych kwasów określonymi grupami organicznymi. Wiele tłuszczów i olejków eterycznych to naturalnie występujące estry kwasów tłuszczowych.)
Paliwo kopalne: Każde paliwo, takie jak węgiel, ropa naftowa (ropa naftowa) lub gaz ziemny, które powstało na przestrzeni milionów lat we wnętrzu Ziemi z rozkładających się szczątków bakterii, roślin lub zwierząt.
Paliwo: Każda substancja uwalniająca energię poprzez kontrolowaną reakcję chemiczną lub jądrową. Paliwa kopalne (węgiel, gaz ziemny i ropa naftowa) to powszechne paliwa, które uwalniają energię poprzez reakcje chemiczne po podgrzaniu (zwykle do momentu spalania).
Ogniwo paliwowe: Urządzenie, które zamienia energię chemiczną na energię elektryczną. Najpopularniejszym paliwem jest wodór, którego jedynym produktem ubocznym jest para wodna.
Geologia: Przymiotnik opisujący wszystko, co wiąże się z fizyczną strukturą Ziemi, jej materiałami, historią i procesami zachodzącymi na niej. Osoby pracujące w tej dziedzinie nazywane są geologami.
Globalne ocieplenie: Stopniowy wzrost ogólnej temperatury atmosfery ziemskiej spowodowany efektem cieplarnianym. Efekt ten jest spowodowany rosnącym poziomem dwutlenku węgla, chlorofluorowęglowodorów i innych gazów w powietrzu, z których wiele jest emitowanych w wyniku działalności człowieka.
Wodór: Najlżejszy pierwiastek we wszechświecie. Jako gaz jest bezbarwny, bezwonny i skrajnie łatwopalny. Jest składnikiem wielu paliw, tłuszczów i substancji chemicznych budujących żywe tkanki. Składa się z protonu (jądra) i krążącego wokół niego elektronu.
Innowacja: (czas. innowować; przym. wprowadzać innowacje) Dostosowanie lub udoskonalenie istniejącego pomysłu, procesu lub produktu, mające na celu uczynienie go nowszym, inteligentniejszym, wydajniejszym lub bardziej użytecznym.
Ług: Ogólna nazwa roztworu wodorotlenku sodu (NaOH). Ług jest często mieszany z olejami roślinnymi lub tłuszczami zwierzęcymi i innymi składnikami w celu produkcji mydła w kostce.
Materiałoznawca: Badacz badający związek między strukturą atomową i molekularną materiału a jego ogólnymi właściwościami. Materiałoznawcy mogą opracowywać nowe materiały lub analizować istniejące. Analiza ogólnych właściwości materiału, takich jak gęstość, wytrzymałość i temperatura topnienia, może pomóc inżynierom i innym badaczom w wyborze najlepszych materiałów do nowych zastosowań.
Cząsteczka: Grupa elektrycznie obojętnych atomów, która reprezentuje najmniejszą możliwą ilość związku chemicznego. Cząsteczki mogą składać się z jednego rodzaju atomów lub różnych rodzajów atomów. Na przykład tlen w powietrzu składa się z dwóch atomów tlenu (O₂), a woda z dwóch atomów wodoru i jednego atomu tlenu (H₂O).
Zanieczyszczenie: Substancja zanieczyszczająca coś, na przykład powietrze, wodę, ludzi lub żywność. Niektóre zanieczyszczenia to substancje chemiczne, takie jak pestycydy. Inne zanieczyszczenia to promieniowanie, w tym nadmierne ciepło lub światło. Nawet chwasty i inne gatunki inwazyjne mogą być uważane za formę biofoulingu.
Silny: Przymiotnik odnoszący się do czegoś bardzo silnego lub potężnego (np. zarazek, trucizna, lekarstwo lub kwas).
Odnawialny: Przymiotnik odnoszący się do zasobu, który można w nieskończoność odnawiać (takiego jak woda, rośliny zielone, światło słoneczne i wiatr). Kontrastuje to z zasobami nieodnawialnymi, których zasoby są ograniczone i mogą zostać skutecznie wyczerpane. Zasoby nieodnawialne obejmują ropę naftową (i inne paliwa kopalne) lub stosunkowo rzadkie pierwiastki i minerały.