الوقود البديل – كيف يمكن للضوء أن يساعد في إعادة توجيه ثاني أكسيد الكربون

أحد أكبر أسباب تغير المناخ هو ثاني أكسيد الكربون (CO2). يُعد CO2 غازًا دفيئًا مهمًا، وهو ناتج عن احتراق الوقود الأحفوري (مثل النفط والفحم والغاز الطبيعي). كما يحدث طبيعيًا من خلال تنفس الإنسان، وتنفس النباتات، والانفجارات البركانية.

الحرائق البرية هي سبب بارز آخر لانبعاث CO2، حيث تم إطلاق ما يُقدّر بـ 2,170 مليون طن متري في عام 2023 فقط.

وجدت دراسة جديدة أن انبعاثات CO2 من الحرائق البرية ارتفعت فعليًا بنسبة هائلة تبلغ 60٪ عالميًا خلال الـ 23 سنة الماضية.

قادت جامعة شرق أنغليا (UEA) الدراسة التي قامت بتقسيم مناطق العالم إلى ‘بيورومات’، وهي مناطق تتأثر أنماط حرائق الغابات فيها بعوامل مناخية، بشرية، وبيئية متشابهة.

وبذلك، فحصت الدراسة الفروق بين حرائق الغابات وغير الغابات، مما يكشف العوامل الرئيسية التي تدفع الزيادة الأخيرة في نشاط حرائق الغابات.

وفقًا للدراسة، ارتفعت انبعاثات CO2 من الحرائق في واحدة من أكبر البيورومات تقريبًا إلى ثلاثة أضعاف بين عامي 2001 و2023. تغطي هذه البيورومات الغابات الشمالية في أوراسيا وأمريكا الشمالية، وتضم بعض أكثر الغابات الشمالية حساسيةً للمناخ.

لوحظت زيادات ملحوظة على نطاق أوسع عبر الغابات خارج المناطق الاستوائية، بما يعادل نصف مليار طن إضافي من ثاني أكسيد الكربون سنويًا. كما يتحول مركز انبعاثات CO2 نحو المناطق خارج الاستوائية، بعيدًا عن الغابات الاستوائية.

ارتبطت الزيادة في الانبعاثات بارتفاع الظروف الجوية الملائمة للحرائق، مثل الظروف الحارة والجافة التي تُلاحظ خلال موجات الحر والجفاف. علاوة على ذلك، أدت معدلات نمو الغابات المتزايدة إلى مزيد من الوقود النباتي. وتدعم هذه الاتجاهات درجات الحرارة المتصاعدة في خطوط العرض الشمالية العالية، التي ترتفع بمعدل يضاعف المعدل العالمي.

لم يقتصر الأمر على الزيادة الكبيرة في مدى انتشار الحرائق البرية في الغابات فحسب، بل ارتفعت شدتها أيضًا خلال العقدين الماضيين.

معدل احتراق الكربون، الذي يقيس شدة الحريق بناءً على كمية الكربون المنبعثة لكل وحدة مساحة محترقة، ارتفع بنسبة تصل إلى 50٪ عبر الغابات عالميًا خلال هذه الفترة. وفقًا للمؤلف الرئيسي الدكتور ماثيو جونز من مركز تيندال لأبحاث تغير المناخ في جامعة شرق أنغليا:

“أدت الزيادات في كل من مدى وشدة حرائق الغابات إلى ارتفاع كبير في كمية الكربون المنبعثة من حرائق الغابات عالميًا. كما تجري تحولات مذهلة في الجغرافيا العالمية للحرائق، وتُعزى أساسًا إلى التأثيرات المتزايدة لتغير المناخ في غابات العالم الشمالية.”

تأثير الحرائق البرية على جهود احتجاز الكربون

جمع العلماء من جميع أنحاء العالم لإجراء الدراسة الجديدة وحذروا من أنه لتجنب استمرار نمو حرائق الغابات، يجب معالجة الأسباب الرئيسية لتغير المناخ.

“لحماية النظم البيئية الحرجة للغابات من تهديد الحرائق المتسارع، يجب أن نحد من الاحترار العالمي، وهذا يبرز أهمية التقدم السريع نحو صافي الانبعاثات الصفرية.”

– الدكتور جونز، زميل بحث مستقل في NERC

تلعب الغابات نفسها دورًا حيويًا في تحقيق الأهداف المناخية الدولية. فهي، في النهاية، تساعد على إزالة CO2 من الغلاف الجوي من خلال عملها كمصارف للكربون.

تتم العملية عبر امتصاص الغابات لثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي وتخزينه على شكل كتلة حيوية، وخشب ميت، ونفايات نباتية، وتربة، وهو ما يُعرف باحتجاز الكربون، ويقلل من معدلات الاحترار العالمي.

وبالتالي، أطلقت الحكومات حول العالم برامج لإعادة التشجير وزراعة الغابات لتعويض انبعاثات CO2 البشرية، خاصةً من قطاعات مثل الطيران وبعض الصناعات الأخرى. ومع ذلك، يعتمد نجاح هذه البرامج على التخزين الدائم للكربون في الغابات، التي تتعرض للتهديد من قبل الحرائق البرية.

مع قيام الحرائق خارج المناطق الاستوائية بإطلاق نصف مليار طن إضافي من CO2 مقارنةً بعام 2001، واعتماد الأثر طويل الأمد على تعافي الغابات، فإن انتشار وشدة الحرائق الغابية بشكل أكبر يخلّ التوازن بين الانبعاثات والكربون الذي تُلتقطه الغابات بعد الحريق. قال الدكتور جونز:

“الاتجاه الحاد نحو زيادة انبعاثات حرائق الغابات خارج المناطق الاستوائية يُعد تحذيرًا من تزايد هشاشة الغابات، ويشكل تحديًا كبيرًا للأهداف العالمية لمكافحة تغير المناخ.”

وأضاف أن الغابات بعد الحرائق الشديدة تُظهر تعافيًا ضعيفًا. وبالتالي، يجب أن نولي اهتمامًا كبيرًا لكيفية تأثير زيادة شدة الحرائق على تخزين الكربون في الغابات خلال السنوات القادمة.

وسط كل هذا، تم تقليل حرق السافانا الاستوائية المعرّضة للحرائق، حيث أظهرت الدراسات السابقة أنه منذ عام 2001، انخفضت مساحة الحرائق في كل من الغابات وغير الغابات بنسبة ربع عالميًا.

في ظل هذا الانخفاض في حرق الأراضي العشبية والسافانا، تُظهر الدراسة، وفقًا لمؤلفيها، أن الحرائق تستمر في الحدوث بشكل متزايد في أماكن لا ينبغي أن تكون فيها، أي أن الغابات تخفي الزيادة في مدى وشدة حرائق الغابات. وهذا يُعد “أكبر تهديد للناس وللمخازن الحيوية للكربون”، وفقًا للدكتور جونز.

تم الكشف عن هذه الملاحظات الجديدة بمساعدة التعلم الآلي، الذي استُخدم لتقسيم إيكوريجونات الغابات إلى 12 بيورومة مختلفة. كما شاركنا مؤخرًا، تُستخدم نماذج الذكاء الاصطناعي على نطاق واسع لاكتشاف الحرائق البرية مبكرًا. وتُعزز الإمكانات الهائلة للذكاء الاصطناعي والتعلم الآلي أكثر بفضل قاعدة بيانات حدوث الحرائق المتنامية.

في الدراسة الجديدة، سمح استخدام الذكاء الاصطناعي لتجميع البيانات للعلماء بعزل تأثيرات تغير المناخ عن عوامل أخرى مثل إنتاجية الغطاء النباتي واستخدام الأرض. علاوة على ذلك، فإن فهم ما يسبب الحرائق في هذه البيورومات المختلفة مهم لتطوير استراتيجيات فعّالة للتنبؤ بالحرائق البرية وتخفيفها وحماية الغابات.

“يتطلب تمويلًا كبيرًا لدعم برامج استراتيجية لإدارة الغابات، ومشاركة أصحاب المصلحة، والتعليم العام، جميعها تمثل تحولًا مهمًا في استراتيجية إدارة الحرائق من رد فعل إلى نهج استباقي متزايد.”

– الدكتور جونز

آفاق جديدة: تحويل CO2 إلى منتجات ذات قيمة

إلى جانب احتجاز الكربون، تُعد طريقة أخرى لتخفيف الآثار السلبية لـ CO2 على البيئة هي تحويله إلى منتجات ذات قيمة.

يشمل ذلك تحويل CO2 إلى ألياف كربونية نانوية يمكن استخدامها لتقوية مواد البناء، ودمجه مع الهيدروجين لإنتاج وقود مثل الميثان، الميثانول، البنزين، ووقود الطيران، وتحويل CO2 إلى مواد كيميائية ومنتجات أخرى مثل الأدوية، إضافات الطعام، والعطور.

عزّزت دراسة جديدة هذا التحويل لـ CO2 إلى منتجات ذات قيمة من خلال الجمع بين الضوء المرئي والكيمياء الكهربائية.

أثناء ذلك، توصل الفريق إلى اكتشاف مفاجئ أن الضوء المرئي يحسن الانتقائية بشكل كبير، وهي صفة كيميائية مهمة. يفتح هذا الاكتشاف آفاقًا جديدة لتحويل CO2 وكذلك للعديد من التفاعلات الكيميائية الأخرى المستخدمة في أبحاث التحفيز والتصنيع الكيميائي.

تحويل CO2 إلى ناقل للطاقة بدلاً من نفاية أو انبعاث من خلال إعادة التدوير هو طريقة رائعة لتقليل تغير المناخ. هنا، يتم تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى وقود، مواد كيميائية، مواد، وطاقة حرارية.

تشمل بعض طرق إعادة تدوير CO2 التمثيل الضوئي الاصطناعي، وهي عملية تُستَخدم فيها الطاقة الشمسية لتصنيع مواد كيميائية باستخدام CO2 كمادة خام. ثم هناك التحويل الكهروكيميائي، حيث تُستخدم الكهرباء لتحويل CO2 إلى مواد كيميائية مثل الإيثانول، حمض الخليك، أو حمض الفورميك.

استخدمت الدراسة الجديدة الاختزال الكهروكيميائي لإعادة تدوير ثاني أكسيد الكربون إلى منتجات ذات قيمة. في هذه العملية، أوضح بروفيسور الكيمياء براشانت جايان من جامعة إلينوي أوربانا-شامبين، أن تيارًا من غاز CO2 يمر عبر خلية التحليل الكهربائي التي تُكسر ثاني أكسيد الكربون والماء إلى أول أكسيد الكربون السام (CO) والهيدروجين. يمكن بعد ذلك استغلال هذه الغازات الجديدة لإنشاء منتجات هيدروكربونية جديدة.

ومع ذلك، يشير جايان إلى أن هذه التفاعل بطيء إلى حد ما، ونحن بحاجة إلى أقطاب كهربائية كبيرة لهذه العملية. تحتوي هذه الأقطاب على كمية كبيرة من مواد التحفيز المكلفة مثل النحاس أو الذهب أو النحاس.

نظرًا لهذه العوائق، سعى جايان، إلى جانب طالبته السابقة في الدراسات العليا فرانسيس ألكورن، للبحث عن طرق لتسريع العملية التي تتطلب مواد تحفيز أقل، وبالتالي “جعلها خيارًا أكثر قابلية للتطبيق في صناعة الوقود البديل.”

استخدام الضوء المرئي لتعزيز كفاءة تحويل CO2

في الطريقة الجديدة، جمع الفريق بين الضوء المرئي وأقطاب مغطاة بجسيمات صغيرة جدًا من سبيكة الذهب‑النحاس. يتيح ذلك اختزال CO2 بمعدل أعلى وانتقائية أكثر تحكمًا مقارنةً بالطرق التقليدية.

شرح جايان أن:

“(الأقطاب الجديدة) تعمل كهوائيات صغيرة تبحث عن الفوتونات في نطاق الضوء المرئي وتربطها بمسار التفاعل الكيميائي.”

لتعزيز توصيلية هذه الأقطاب، غمر الفريق الأقطاب في محلول من الماء، CO2، وإلكتروليت. ثم طبقوا جهدًا عبر القطب بينما تم إضاءة سطحه بليزر ضوء مرئي.

أدى ذلك إلى تفاعل ينتج بسرعة الهيدروجين من انقسام جزيئات الماء وأول أكسيد الكربون، الناتج عن انقسام ثاني أكسيد الكربون.

بينما كان الفريق “متحمسًا جدًا” لمشاهدة الزيادة في الإنتاجية عند استخدام الضوء المرئي، ما لم يكن متوقعًا هو أن للضوء المرئي تأثيرًا كبيرًا على الانتقائية الكيميائية — وهو ما قال جايان إنه “التقدم المهم هنا.”

الآن، ما هي هذه الانتقائية؟ في التحفيز، تُعَدّ الانتقائية الكيميائية قدرة التفاعل الكيميائي على تفضيل نوع معين من الجزيئات أو المسار على آخر.

في هذه الدراسة الخاصة، تم العثور على أن تفاعل انقسام الماء الذي يُنتج غاز الهيدروجين يُعزز انتقائيًا باستخدام الضوء. قال جايان:

“تشير النتائج إلى أن الضوء المرئي يوفر فرصة فريدة لضبط نسبة أول أكسيد الكربون إلى غاز الهيدروجين المنتج، وهو عامل حاسم للإنتاج الصناعي للغاز الصناعي. يفتح هذا الاكتشاف الطريق نحو مستقبل طاقة أكثر استدامة وكفاءة.”

مع ذلك، أشار الأستاذ إلى أن استخدام الضوء لتعزيز التفاعلات الكيميائية ليس خالٍ من الجدل، نظرًا لأن الضوء يجلب الحرارة معه. لذا، اضطر الفريق إلى إجراء تجارب تحكم وإجراء قياسات دقيقة لتحديد ما إذا كان تأثير الحرارة الناتج عن الضوء هو السبب في تسريع معدلات التفاعل والانتقائية.

ما فعله الفريق لتحديد ذلك هو إجراء تجارب باستخدام الليزر وبدونه عند نفس درجة الحرارة التي ينتجها تحفيز الضوء. ساعدهم ذلك في استبعاد الحرارة كعامل مسؤول.

اكتشف الفريق أن الحقول الكهربائية وتدفق الشحنة الموجه الناتج عن تحفيز الضوء هو المسؤول فعليًا عن الزيادة في الإنتاجية والانتقائية المحسنة لانقسام الماء.

الآن، مع التقدم، لا يزال لدى الفريق تحديات يجب التغلب عليها. يشمل ذلك الاستخدام المتكرر لجسيمات النانو القائمة على الأقطاب، مما سيؤدي إلى تدهور مع مرور الوقت، خاصةً عند توسيع الطريقة لتطبيق صناعي.

يحتاج الفريق أيضًا إلى إجراء مزيد من البحوث وتحسين الكفاءة الطاقية العامة للعملية وإدارة الضوء.

“(بشكل عام) ما وجدناه في هذه الدراسة يقدم طرقًا جديدة تمامًا للتفكير في الكيمياء الكهربائية والتحفيز.”

– جايان

في النهاية، أدى استخدام الضوء إلى تعزيز نشاط الحفاز، ولكن الأهم والأكثر إثارةً هو أنه سمح بتغيير الانتقائية، مما سيفتح مسارات كيميائية جديدة تنتج منتجات مختلفة. وهذا يعني أن تقليل CO2 أو انقسام الماء هو مجرد البداية؛ يمكن أيضًا تطبيق الطريقة على العديد من التفاعلات التحفيزية الأخرى المهمة للصناعة الكيميائية.

الشركات المشاركة في تقليل وتحويل CO2

أدت شدة وتدمير الحرائق البرية المتزايدة إلى تقدم في طرق حماية الحرائق، مثل الهلاميات الحيوية القابلة للتفعيل بالحرارة. ومع ذلك، هناك اهتمام متزايد بتقليل وإعادة توجيه انبعاثات CO2. تشمل هذه العملية تحويل ثاني أكسيد الكربون، المساهم الرئيسي في تغير المناخ، إلى منتجات مفيدة مثل الوقود، والمواد الكيميائية، ومواد البناء.

تجمع الشركات الرائدة في هذه الجهود بين تقنيات متقدمة لمواجهة التحديات البيئية والاقتصادية التي تفرضها انبعاثات CO2.

يشمل ذلك شركة شيفرون كوربورايشن (CVX ) (CVX)، وفويل سل إنرجي (FCEL ) (FCEL)، وأوكسيدنتال بتروليوم (OXY ). بينما تستثمر شيفرون في تقنيات احتجاز الكربون، تركز فويل سل إنرجي على حلول الطاقة النظيفة، وتشارك أوكسيدنتال في تقنية الالتقاط المباشر للهواء (DAC) لإزالة CO2 من الغلاف الجوي وتحويله إلى منتجات قابلة للاستخدام.

تُعد شركة إير برودكتس آند كيميكالز (APD ) شركة أخرى تشارك في إنتاج الهيدروجين وتقنيات تحويل CO2. وبقيمة سوقية تبلغ 73.44 مليار دولار، تُتداول أسهم APD حاليًا عند 330.37 دولار، بارتفاع قدره 20.66٪ منذ بداية العام.

الآن، دعونا نلقي نظرة أعمق على لاعب رئيسي آخر في احتجاز الكربون:

إكسون موبيل (XOM )

هذه الشركة الأمريكية المتعددة الجنسيات للنفط والغاز، التي تُعد أكبر سليل مباشر لشركة ستاندرد أويل التي أسسها جون دي روكفلر، لديها اهتمام متزايد بتقنيات احتجاز الكربون، واستخدامه، وتخزينه (CCUS) لتقليل انبعاثات CO2.

تشمل شبكة CCS الخاصة بإكسون موبيل تشغيل أطول خط أنابيب لنقل CO2 في الولايات المتحدة بطول 1500 ميل. كما تمتلك عدة مواقع تخزين استراتيجية عبر ساحل الخليج الأمريكي.

من خلال برنامج إكسون موبيل للحلول منخفضة الكربون، تلعب الشركة دورًا مهمًا في توسيع نطاق تقنيات احتجاز وتخزين الكربون. وتفخر بقدرة احتجاز حالية تبلغ 9 ملايين طن متري سنويًا، وإجمالي احتجاز قدره 120 مليون طن متري حتى الآن، وتُشكل حوالي 40٪ من إجمالي CO2 البشري المحتجز، وفقًا للأرقام الواردة في الموقع الرسمي لإكسون موبيل.

تعاونت الشركة مع ميتسوبيشي هيفي إندستريز (MHI) لتوفير حلول شاملة من البداية إلى النهاية لاحتجاز CO2 بعد الاحتراق. توفر هذه الحلول احتجازًا كاملاً للكربون، ونقلًا، وتخزينًا.

كما تُجري الشركة مشروعًا تجريبيًا لاستخدام الغاز الذي كان سيُحرق بسبب نقص الأنابيب، من آبارها النفطية في شمال داكوتا لتزويد مشغلي تعدين البيتكوين بالطاقة. لهذا، تعاونت إكسون موبيل مع شركة كروسوي إنرجي سيستمز، التي تستغل موارد الطاقة المهدرة لأخذ الغاز من آبارها النفطية وتشغيل مولدات متنقلة تُستخدم في عمليات تعدين البيتكوين. تتوقع الشركة أن تُحقق خططها لتقليل الانبعاثات هدف البنك الدولي للحد من الحرق الروتيني إلى صفر بحلول عام 2030.

في وقت كتابة هذا المقال، تُتداول أسهمها عند 119.94 دولار بعد ارتفاع سعرها بنسبة 20.72٪ حتى الآن هذا العام. يضع ذلك القيمة السوقية لإكسون موبيل عند 536.2 مليار دولار، مع ربحية السهم (TTM) تبلغ 8.34، نسبة السعر إلى الأرباح (TTM) 14.47، وعائد توزيعات أرباح بنسبة 3.15٪.

في الربع الثاني من عام 2024، أبلغت الشركة عن أرباح قدرها 9.2 مليار دولار، معتبرةً ذلك إظهارًا لـ “القوة المتميزة لمحفظة إكسون موبيل وتحسين قدرتها على تحقيق الأرباح.” كما وسعت عرض قيمتها من خلال تعزيز قيادتها في احتجاز وتخزين الكربون (CCS) باتفاقية جديدة زادت من إجمالي حجم CO2 المتعاقد عليه إلى 5.5 مليون طن متري سنويًا. وفقًا لإكسون موبيل، هذا يمثل “حجمًا ملتزمًا أكثر من أي شركة أخرى أعلنت عنه.” ستُصدر نتائجها المالية للربع الثالث من عام 2024 في الأول من نوفمبر.

الخلاصة

مع إطلاق مليارات الأطنان المتريّة من CO2 في الغلاف الجوي كل عام، فإن ذلك يؤدي ليس فقط إلى تغير المناخ الذي يسبب أحداثًا جوية أكثر تطرفًا، بل أيضًا إلى مخاطر صحية وحموضة المحيطات التي تهدد الحياة البحرية والشعاب المرجانية.

مع تفاقم أزمة المناخ، أصبح من الضروري معالجة المشكلة الخطيرة لارتفاع انبعاثات CO2 لتقليل الاحترار العالمي وعواقبه الكارثية. تُطلق حرائق الغابات، المدفوعة بتغير المناخ، مستويات غير مسبوقة من ثاني أكسيد الكربون، مما يسرّع المشكلة أكثر. بينما تُعد برامج إعادة التشجير وزراعة الغابات حيوية لتعويض الانبعاثات، يظل تهديد الحرائق البرية كبيرًا، مما يجعل استراتيجيات إدارة الحرائق الاستباقية أمرًا أساسيًا.

توفر الحلول المبتكرة، مثل الاختزال الكهروكيميائي لـ CO2 واستخدام الضوء المرئي لتحسين التفاعلات التحفيزية، حلولًا واعدة لإعادة توجيه انبعاثات الكربون الضارة إلى منتجات ذات قيمة مثل الوقود الصناعي والمواد الكيميائية الصناعية.

هذه التطورات، رغم أنها لا تزال قيد التطوير، تمثل إمكانية التخفيف من تغير المناخ من خلال تحويل CO2 من ملوث عالمي إلى مورد للمستقبل. ومع استمرار الشركات في الاستثمار في تقنيات احتجاز الكربون والوقود البديل، نقترب من حل مستدام قد يعيد تشكيل مشهد الطاقة.

انقر هنا لتعرف أيهما أفضل لمواجهة CO2 في الغلاف الجوي: الوقاية أم العلاج.