معالجة مخاوف ثاني أكسيد الكربون باستخدام مواد فوتوكاتاليتية مكتشفة حديثًا

إن حجم انبعاثات ثاني أكسيد الكربون العالمي هو التحدي الأشد خطورة الذي نواجهه اليوم. وقد نمت هذه الانبعاثات بشكل خاص لتصبح تهدد الوجود خلال الـ75 سنة الماضية. 

في عام 1950، العالم انبعث 6 مليارات طن من ثاني أكسيد الكربون. بحلول 1990، ارتفع إلى 20 مليار طن. والآن هو أكثر من 35 مليار طن. وقد انبعثت الولايات المتحدة وحدها حوالي 400 مليار طن من ثاني أكسيد الكربون منذ عام 1751، أي ما يقرب من ربع جميع الانبعاثات حتى الآن. منذ عام 1751، كان الحجم التراكمي العالمي لانبعاثات ثاني أكسيد الكربون 1.5 تريليون طن. 

يمكن أن يأتي ثاني أكسيد الكربون من مصادر عديدة، بما في ذلك حرق الوقود الأحفوري، والحرائق البرية، والانفجارات البركانية، وغيرها. وهو ضار لأنه غاز يحبس الحرارة. يشكل ثاني أكسيد الكربون وغيره من الغازات الدفيئة بطانية أو غطاء لحبس الحرارة التي كان من الممكن أن يشعها الكوكب إلى الفضاء. 

ما يثير القلق أكثر هو أن قدرات حبس الحرارة لثاني أكسيد الكربون هائلة، ويمكن لحجم صغير من ثاني أكسيد الكربون الجوي أن يحبس كميات هائلة من الحرارة. الرقم الذي يتجاوز 35 مليار طن من الانبعاثات الذي ناقشناه هو نتيجة لوجود ثاني أكسيد الكربون فقط بنسبة 0.04٪ من الغلاف الجوي. 

عند شرح مدى ضئيلة وجود ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي، جيسون سمردون، عالم مناخ في مرصد لامونت-دوهرتي للأرض بجامعة كولومبيا، قدم التشبيه التالي: 

“إذا شرب شخص بحجمي بئرَين، فإن نسبة الكحول في دمي ستكون حوالي 0.04٪.” 

ومع ذلك، يذكرنا لاحقًا بأن حتى حجمًا صغيرًا من مادة ما يمكن أن يجلب عواقب سلبية لا يمكن إصلاحها. ثم يقول: 

“ليس من الضروري وجود كمية كبيرة من السيانيد لتسميم شخص. الأمر يتعلق بكيفية تفاعل تلك المادة المحددة مع النظام الأكبر وما تفعله لتؤثر على ذلك النظام.”

لذلك، فإن خصائص حبس الحرارة لثاني أكسيد الكربون وغيرها من الغازات الدفيئة تشكل تهديدًا يجب التعامل معه بأقصى درجات العجلة والجدية. 

تحالف المناخ والهواء النظيف، مبادرة منظمة الأمم المتحدة للبيئة، يعترف بهذه العجلة بأكثر العبارات وضوحًا ممكنة. يقول: 

“نحن نفقد الوقت للحفاظ على ارتفاع الحرارة أقل من درجتين مئويتين.”

وفقًا لدوروود زايليك، رئيس اللجنة ورئيس معهد الحوكمة والتنمية الدولية (IGSD):

“لا يمكننا حل مشكلة سريعة التطور مثل تغير المناخ بحلول بطيئة التطور. السرعة هي مقياسنا الجديد—السرعة لخفض الملوثات المناخية قصيرة العمر بحلول 2030، وتحقيق الطاقة النظيفة وصافي الانبعاثات الصفرية بحلول 2050، وإزالة حصة متزايدة من ثاني أكسيد الكربون الذي انبعث بالفعل.”

زيد زايليك يوضح الهدف أكثر بالقول:  

“خفض الملوثات المناخية قصيرة العمر يمكن أن يجنب ارتفاعًا قدره 0.6 درجة بحلول منتصف القرن، وله دور كبير إذا أردنا الحفاظ على الارتفاع عند 1.5 درجة.”

هنا، SLCPs تعني الملوثات المناخية قصيرة العمر. معالجة مخاوف ثاني أكسيد الكربون هي الحاجة الملحة الآن. لا يمكن تلبية هذه العجلة غير المسبوقة دون حلول مبتكرة. في الفقرات التالية، نناقش تلك الطرق المبتكرة التي ظهرت مؤخرًا. 

الباحثون يوضحون طريقة تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى وقود مستدام

فريق دولي من الباحثين، يضم ممثلين من كلية الكيمياء بجامعة نوتنغام، وجامعة برمنغهام، وجامعة كوينزلاند، وجامعة أولم، قد صمم مادة يمكن اعتبارها خطوة هامة وحاسمة في إنتاج وقود أخضر جديد.

المزيد عن المادة

المادة مشتقة من النحاس المرتبط على نيتريد الكربون النانوبنيوكريتي. تستقر ذرات النحاس داخل البنية النانوبنيوكريتي، مما يسمح للإلكترونات بالانتقال من نيتريد الكربون إلى ثاني أكسيد الكربون. هذه الحركة أساسية لإنتاج الميثانول من ثاني أكسيد الكربون تحت إشعاع الشمس. 

إذا نجحت العملية في تحقيق النطاق المطلوب، فإنها ستحل واحدة من أهم المشكلات في مواجهة التهديدات التي يسببها ثاني أكسيد الكربون.

يمكن تحويل ثاني أكسيد الكربون، العامل الأكثر أهمية في الاحتباس الحراري العالمي، إلى منتجات مفيدة. ومع ذلك، حتى الآن، تتطلب عمليات التحويل الاعتماد على الهيدروجين المستخرج من الوقود الأحفوري. تُستخدم الطاقة الشمسية للمرة الأولى.

تؤكد الأبحاث الحاجة إلى تطوير طرق بديلة، تعتمد على الفوتوكاتاليسيس والإلكترونيات التحفيزية، وهي عمليات تستغل بكفاءة الطاقة الشمسية المستدامة ووفرة الماء.

وفقًا للدكتور ماداسامي تانغاموثو، أحد الباحثين في كلية الكيمياء: 

“هناك مجموعة واسعة من المواد المختلفة المستخدمة في الفوتوكاتاليسيس. من المهم أن يمتص الفوتوكاتاليست الضوء ويفصل حاملي الشحنة بكفاءة عالية. في نهجنا، نتحكم في المادة على المستوى النانوي. طورنا شكلًا جديدًا من نيتريد الكربون مع نطاقات نانوية بلورية تسمح بتفاعل فعال مع الضوء وكذلك بفصل شحنات كافٍ.”

انقر هنا للحصول على قائمة بأهم أسهم التقاط الكربون.

المزيد عن العملية

ضمان عملية التسخين المستخدمة في البحث أن نيتريد الكربون وصل إلى المستوى المطلوب من التبلور، وهو أمر أساسي لتعظيم إمكانات المادة في الفوتوكاتاليسيس. كما شملت العملية ترسيب المغنترون لتثبيت النحاس دون استخدام مذيبات. سمح عدم وجود المذيبات بوجود اتصال وثيق بين شبه الموصل وذرات المعدن. 

وفقًا لتارا ليميرسييه، طالبة دكتوراه في كلية الكيمياء بجامعة نوتنغام:

“حتى بدون النحاس، الشكل الجديد من نيتريد الكربون أكثر نشاطًا بـ44 مرة مقارنةً بنيتريد الكربون التقليدي. ومع ذلك، لدهشتنا، أدى إضافة 1 ملغ فقط من النحاس لكل غرام من نيتريد الكربون إلى مضاعفة هذه الكفاءة أربع مرات. والأهم من ذلك، تغيرت الانتقائية من الميثان، وهو غاز دفيئة آخر، إلى الميثانول، وهو وقود أخضر قيم.”

بشكل عام، كان التجربة رائدة لأنها استخدمت محفزات تتكون فقط من عناصر مستدامة. وفقًا لأستاذ كلية الكيمياء أندريه خلوبستوف:

“تحويل قيمة ثاني أكسيد الكربون هو المفتاح لتحقيق طموح المملكة المتحدة للوصول إلى صافي الانبعاثات الصفرية. من الضروري للغاية ضمان استدامة مواد المحفزات لهذا التفاعل المهم. ميزة كبيرة للمحفز الجديد هي أنه يتكون من عناصر مستدامة—الكربون، والنيتروجين، والنحاس—وهي جميعًا وفيرة على كوكبنا.”

تعمل الشركات حول العالم على تحويل الكربون إلى طاقة خضراء. وقد زودتنا بعض هذه الشركات بحلول مثيرة ومبتكرة وفعالة. 

#1. Climeworks

تُعرف شركة Climeworks بمنشآتها لالتقاط وتخزين الهواء مباشرة، التي تزيل ثاني أكسيد الكربون من الهواء. بالإضافة إلى تشغيل منشآتها لإزالة الكربون، تتعاون Climeworks مع جهات أخرى لتأمين مجموعة كاملة من الحلول عالية الجودة لاستراتيجية الصفر الصافي العالمية.

تعمل الشركة في جميع أنحاء العالم وتقدم حلولًا متنوعة مصممة لتلبية احتياجات محددة. على سبيل المثال، في آيسلندا، تقوم الشركة، بمساعدة شريك التخزين الخاص بها Carbfix، بنقل ثاني أكسيد الكربون إلى أعماق الأرض وتجعله يتفاعل مع صخور البازلت عبر عملية طبيعية بحيث يتحول الانبعاث الضار إلى حجر ويبقى محاطًا بأمان لأكثر من 10,000 سنة. 

في الولايات المتحدة، أعلنت Climeworks عن ثلاثة مشاريع تحت برنامج مراكز التقاط الهواء الإقليمي التابع لوزارة الطاقة الأمريكية. مشروع سبرس، الذي كانت Climeworks شريكًا مطورًا فيه، سيطبق طريقة التقاط الهواء مباشرة لإزالة فائض ثاني أكسيد الكربون (CO2) من الغلاف الجوي لمنع تفاقم الظواهر الجوية المتطرفة، مثل الأعاصير والجفاف والفيضانات، على المدى الطويل. 

في زيورخ، سويسرا، طورت Climeworks منشأة تساعد في إنتاج خضروات محايدة للكربون. يضخ مصنع التقاط الهواء المباشر الغاز إلى الصوبات، مما يعزز عملية التمثيل الضوئي للنبات ويزيد من محصوله بنسبة تصل إلى 20٪. تقول Climeworks إنها ستستخرج حوالي 900 طن من CO2 سنويًا من الهواء.

وفقًا لمات لوكاس من مركز إزالة الكربون:

“تقنيات التقاط CO2 من الهواء، مثل وحدات Climeworks، لديها القدرة على تحقيق انخفاض حاد في الأسعار كما شهدنا مع الطاقة الشمسية والرياح والبطاريات، وهي أيضًا منتجات تُصنع في المصانع.”

في 9 أبريل 2024، تلقت Climeworks 2.2 مليون فرنك سويسري (26 مليون كرونة نرويجية) تمويلًا نرويجيًا من Enova، المؤسسة الحكومية المملوكة لوزارة المناخ والبيئة النرويجية. 

قبل عامين، قامت Climeworks بتوقيع جولة تمويل أسهم بقيمة 600 مليون فرنك سويسري (650 مليون دولار). وشملت قائمة المستثمرين عدة مؤسسات تقنية وبنية تحتية معروفة وكبيرة على مستوى العالم.

#2. Heirloom Carbon

Heirloom Carbon بنى أول منشأة تجارية لالتقاط الهواء مباشرة في الولايات المتحدة. تعمل المنشأة بالكامل بالطاقة المتجددة، وتزيل ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي بشكل دائم. 

تستفيد من عملية تمعدن الكربون، حيث تلتقط صخور مثل الحجر الجيري—المعروفة كمصارف طبيعية للكربون—كميات هائلة من CO2 مع مرور الوقت. كواحدة من أكثر الصخور وفرة على الكوكب، يمكن للحجر الجيري أن يلتقط كميات ضخمة من CO2 من الهواء على مر السنين. وتسرّع تقنية Heirloom Carbon هذه العملية إلى أيام قليلة فقط. 

تتمتع تقنية Heirloom بالعديد من الفوائد. فهي تزيل ثاني أكسيد الكربون بشكل دائم، مما يضمن تخزين الغاز بأمان تحت الأرض إلى الأبد. كما أن خدمات Heirloom لها بصمة بيئية قليلة، حيث يمكن لمنشآتها إزالة 50 طنًا من CO2 لكل متر مربع ويمكن وضعها على أراضٍ غير صالحة للزراعة.

مع مرور الوقت، تعتقد Heirloom أن خدماتها ستصبح ذات تكلفة مثالية، حيث ستكلف ائتمانات إزالة الكربون أقل من 100 دولار أمريكي للطن من ثاني أكسيد الكربون بحلول عام 2035. 

في أبريل 2022، قامت Heirloom بجمع مليون دولار أمريكي كمنحة من مؤسسة ماسك وXPRIZE. جمعت 53 مليون دولار أمريكي في جولة السلسلة A من AENU وعدد من المستثمرين الآخرين في 17 مارس 2022. وفي يونيو 2021، تلقت Heirloom منحة بقيمة 255,737 دولارًا أمريكيًا من المؤسسة الوطنية للعلوم. 

التركيز على خطة شاملة لمواجهة انبعاثات الكربون

تنظر هذه الخطة إلى دورة حياة انبعاثات الكربون بأكملها وتخطط لمواجهتها في كل مكان بأكثر الطرق حكمة، ومُحسّنة للموقع، وفعّالة ممكنة. على سبيل المثال، تساعد حلول مثل Climate TRACE في تحديد نقاط الانبعاث الساخنة عالميًا باستخدام الأقمار الصناعية وتعلم الآلة. ومن ناحية أخرى، تساعد شركات مثل CarbonChain في تقليل الانبعاثات في سلسلة التوريد من خلال مساعدة الشركات على تحليل انبعاثاتها الحالية وإيجاد طرق لتقليلها باستخدام الذكاء الاصطناعي. كما أن التعرف على تسربات الطاقة جزء من هذه الخطة الشاملة. 

بمجرد اكتمال عملية التعرف، هناك ثلاث طرق محتملة لمعالجة مخاوف ثاني أكسيد الكربون. يركز الأول على إيقاف المزيد من الأضرار المناخية الناجمة عن انبعاثات ثاني أكسيد الكربون. يتعامل الثاني مع تعزيز كفاءة الطاقة حتى نتمكن من تقليل اعتمادنا على الوقود الأحفوري. أما الثالث، وهو الأكثر طموحًا بين الثلاثة، فيسعى إلى عكس الضرر الذي حدث بالفعل. 

فيما يتعلق بالحلول المحددة، تطورت العديد من الأفكار. دعا العلماء إلى زراعة نباتات أو طحالب بحرية يمكنها امتصاص CO2 من الغلاف الجوي أثناء نموها، وتعمل في الوقت نفسه كمصدر للطاقة المتجددة. تشمل التجارب المبتكرة والرائدة أيضًا بوليمرًا جديدًا يمكنه جمع الطاقة الشمسية. هذه البوليمرات يمكن بعد ذلك تطبيقها على الأقمشة بحيث تصبح ملابسنا مصدرًا أخضرًا ومتنقلًا للطاقة. 

على مر السنين، تم تطوير العديد من التطبيقات والحلول الجذابة في مجال عكس الضرر. على سبيل المثال، يعمل العلماء على خرسانة قائمة على الكربون تُطلق CO2 من العوادم الصناعية إلى حجر الجير الصناعي، وهو مكون أساسي للخرسانة. وفي هذا الصدد، يجب أن نتذكر أن إنتاج الخرسانة يمثل من 4٪ إلى 8٪ من انبعاثات CO2 العالمية.

لا يزال العمل جارٍ لتطوير محاصيل تستهلك الكربون، وأسمدة تحجز الكربون، وأكثر من ذلك. 

مع كل هذه الابتكارات، يجب أن نضمن خفضًا صافيًا 55٪ أو أكثر مقارنةً بمستويات 1990 بحلول 2030 وهدف الحياد المناخي بحلول 2050. بينما لا يزال هناك الكثير مما يجب القيام به في مجالات من الانتقال من الوقود الأحفوري إلى النظيف المتجدد الطاقة،العالمية التعاون يجب أيضًا أن يكون فعّال في إيقاف إزالة الغابات، استخدام الأرض بشكل مستدام، واستعادة الطبيعة.

ستساعد الجهود المستمرة في النهاية على موازنة حجم الغازات الدفيئة التي تُطلق في الغلاف الجوي مع التقاط وتخزين هذه الغازات في غاباتنا ومحيطاتنا، والتربة.