التقاط الهواء المباشر: كيف يمكن لمفاعل الجيل التالي أن يشهد تبنيًا واسعًا

حقق فريق من المهندسين المبتكرين في جامعة رايس إنجازًا مهمًا في صناعة احتجاز الكربون، بتطوير قد يُحدث تحولًا في السوق. نجح الباحثون في إنشاء مفاعل كهروكيميائي يمكنه تعزيز احتجاز الكربون من الغلاف الجوي بكفاءة غير مسبوقة ومن دون نواتج ثانوية ضارة. وفيما يلي كيف يمكن لهذه الطريقة الجديدة للالتقاط المباشر من الهواء أن تقرّب العالم من تحقيق صافي انبعاثات كربونية صفري مستقبلًا.

ارتفاع الانبعاثات إلى مستويات جديدة يسبب كوارث مناخية

وجد تقرير نُشر في مجلة BioScience ودرس الحالة الراهنة للمناخ أن العالم «على شفا كارثة مناخية لا رجعة فيها.» وأظهرت الدراسة نفسها أن انبعاثات الوقود الأحفوري ارتفعت إلى أعلى مستوى على الإطلاق. وتجلّى ذلك في تسجيل أشد ثلاثة أيام حرارة في التاريخ خلال يوليو 2024. كما سجلت درجات حرارة سطح البحر أرقامًا قياسية جديدة في مناطق متعددة عام 2024.

تشير جميع هذه البيانات المناخية إلى حقيقة لا يمكن إنكارها: حان الوقت لتبادر الحكومات إلى العمل. ولحسن الحظ، توجد عدة خيارات. ويأتي تعزيز الاستدامة والطاقة المتجددة في صميم هذا النهج. فمن تشجيع المركبات الكهربائية ومصادر الطاقة البديلة إلى فرض ضرائب على المصنّعين المسرفين، توجد حلول تستحق المتابعة.

لا يوجد خيار واحد يحل المشكلة بمفرده. فإلى جانب التقدم التقني، يجب أن يغير الناس عاداتهم لتحقيق النجاح. وتُعد تقنية احتجاز الكربون واستخدامه وتخزينه (CCUS) من أفضل السبل للمساعدة في تحقيق هذه الأهداف.

التقاط الهواء المباشر – الطرق الحالية

يمثل خفض الانبعاثات الكربونية أولوية للمدافعين عن البيئة عالميًا. ويُعد الالتقاط المباشر من الهواء الطريقة الأكثر شيوعًا لإزالة ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي. توجد عدة طرق لبدء هذه العملية، لكنها جميعًا تتطلب استخدام مواد كيميائية خطرة تخلّف نواتج ثانوية، أو كميات كبيرة من الطاقة لإتمام الاستخلاص.

تستخدم الطرق الأكثر شيوعًا مواد كيميائية لربط ذرات الكربون والأكسجين في جزيئات الغاز بمركبات أخرى داخل سوائل مختارة لهذا الغرض. ويُدخل ثاني أكسيد الكربون ضمن تيار غازي مختلط بتركيزات وقوة متفاوتة لاحتجاز جزيئاته في السائل. وبعد احتوائه في المحاليل، تبدأ عملية استخراجه.

الاستخراج هو المرحلة الأكثر استهلاكًا للطاقة. وقد يتطلب، بحسب خيارات الغاز، خطوات متعددة ومرافق شديدة التخصص. وتشمل الطرق الشائعة لاستخراج ثاني أكسيد الكربون من المذيبات الحرارة والتفاعلات الكيميائية والعمليات الكهروكيميائية. كما يحدد نوع المذيب المستخدم كثافة هذا النهج وفعاليته.

الممتصات القائمة على الأمينات

تُعد المواد الماصة القائمة على الأمينات أكثر الحلول شيوعًا لاحتجاز الكربون. وهي فعالة في احتجاز ثاني أكسيد الكربون دون استهلاك الكثير من الطاقة. لكن هذا المحلول غير مستقر وسام، مما يزيد المخاطر وتكاليف التخزين بعد العملية.

هيدروكسيد الصوديوم والبوتاسيوم

طرح العلماء أيضًا نهجًا أقل سمية يستخدم هيدروكسيد الصوديوم أو البوتاسيوم مذيبًا للاحتجاز. وتكوّن هذه الاستراتيجية روابط قوية بين ثاني أكسيد الكربون وذرات المذيب. لكن هذه الروابط تتطلب حرارة هائلة لكسرها وتحرير الكربون، ولذلك تكون الطريقة مكلفة وتحتاج إلى الكثير من المعدات المتخصصة.

دراسة مفاعل التقاط الهواء المباشر PSE

إدراكًا لقيود هذه التقنيات والطلب الواضح على حل أكثر استدامة وأسهل دمجًا، عمل مهندسو جامعة رايس على إنشاء أول جهاز للالتقاط المباشر من الهواء يعمل في درجة حرارة الغرفة. ونشر الفريق نتائجه في مجلة Nature Energy¹.

يقدم التقرير مفاعل الإلكتروليت الصلب المسامي (PSE). يعتمد جهاز التجديد الكهروكيميائي هذا على الطاقة الكهربائية لفصل الكربون من الهواء بدلًا من الحرارة أو الطرق الأعلى تكلفة. ويضم المفاعل طبقة من الإلكتروليت الصلب المسامي تتيح للباحثين ضبط المدخلات الكهربائية. وتتحكم هذه المدخلات في حركة الأيونات وانتقال الكتلة، فتُبعد جزيئات ثاني أكسيد الكربون باستخدام التيار بدلًا من المواد الكيميائية.

نتائج اختبار مفاعل التقاط الهواء المباشر PSE

أثبت المفاعل قدرته على إزالة ثاني أكسيد الكربون دون الحاجة إلى الحرارة. ويسمح تصميمه المعياري ذي الحجرات الثلاث بفصل المادة الماصة القلوية في حجرة وثاني أكسيد الكربون عالي النقاء في أخرى. ووجد الفريق أن المفاعل يستطيع فصل محاليل NaHCO3/Na2CO3 انتقائيًا بقدرة احتجاز تبلغ 90%. ولم يتطلب سوى كمية ضئيلة من الطاقة، وأظهر متانة مع خلطات مختلفة.

توليد الهيدروجين

وجد التقرير أيضًا إمكانية استخدام العملية لإنتاج الهيدروجين بالتزامن. ويُستخدم وقود الهيدروجين بالفعل لتشغيل أجهزة متنوعة وتدفئة المنازل وغيرها. وتستطيع خلايا وقود الهيدروجين إنتاج الكهرباء بكفاءة ونظافة. لذا فإن إضافتها تنسجم مع هدف الفريق العام المتمثل في تعزيز الاستدامة.

الفوائد التي يجلبها مفاعل التقاط الهواء المباشر PSE إلى السوق

يقدم هذا البحث فوائد عديدة. فالمشروع بأكمله يعتمد على تقنيات متاحة ومختبرة بالفعل، مما يجعله أكثر قابلية للتطبيق. ويسهّل ذلك دمجه وتدريب مستخدمين جدد وتحسين العملية، إذ تتوفر منتجات مثل خلايا وقود الهيدروجين تجاريًا منذ عقد.

فعّال من حيث التكلفة

من الفوائد المهمة الأخرى لمفاعل PSE انخفاض تكاليف بنائه وتشغيله. ويمكن للشركات توفير الأموال باستخدام هذا النهج مقارنة بالخيارات التي تستهلك حرارة كثيفة أو تهدر الموارد. لذلك يرى كثيرون في هذه التقنية خطوة مهمة نحو خفض تكلفة احتجاز الانبعاثات.

خفض حواجز الطاقة

يسمح خفض استهلاك الطاقة أيضًا بتوسيع استخدام التقنية إلى تطبيقات وقطاعات أكثر. وقد أبرز التقرير انخفاض استهلاك العملية للطاقة، موضحًا إمكانية تحقيق وفورات كبيرة للشركات مستقبلًا.

قابل للتوسع

تُعد قابلية التوسع فائدة أخرى لا يمكن تجاهلها. يستطيع مفاعل PSE تحقيق نتائج مبهرة في احتجاز الكربون دون استثمارات ضخمة في البنية التحتية كتلك اللازمة لمحطات معالجة ثاني أكسيد الكربون الحالية. ولذلك يناسب هذا الحل اقتصاد اليوم بصورة أفضل.

نظيف

من أكبر فوائد مفاعل PSE قدرته على المعالجة النظيفة. فقد أوضح التقرير إمكانية فصل ثاني أكسيد الكربون دون ترك أي نفايات ثانوية. وتشير هذه النتائج إلى مستوى مرتفع من الاستدامة في الطريقة الجديدة.

المرونة

اختُبر مفاعل PSE في ظروف بيئية مختلفة لمعرفة أثرها في الأداء. وأظهر قدرة فائقة على التكيف مع تفاعلات المهبط والمصعد المختلفة، مما يجعله حلًا مثاليًا للالتقاط المباشر لثاني أكسيد الكربون من الهواء في معظم الحالات.

التكامل

يُعد دمج معظم طرق احتجاز ثاني أكسيد الكربون عملية شاقة. ويقلل النهج الجديد زمن الدمج بإلغاء الحاجة إلى الحرارة أو المواد الكيميائية. ويكون إدخال المولد الكهربائي بالكامل في أنظمة الشركات أسهل بكثير من النماذج السابقة، مما يفتح الباب أمام انتشار واسع.

الباحثون

قاد المشروع باحثو جامعة رايس شياو تشانغ، وجيوي فانغ، وبنغ تشو، ويانغ شيا، وهاوتيان وانغ. وقد عمل وانغ سنوات في عمليات إزالة الكربون. ويعتزم الفريق الآن توسيع الاختبارات لمعرفة أداء التقنية في العمليات الصناعية واسعة النطاق.

الشركات التي يمكن أن تستفيد من دراسة أبحاث التقاط الكربون الجوي المباشر

يواصل قطاع احتجاز الكربون التوسع، ويتزايد الاهتمام بالشركات العاملة فيه. وقد أوجد تزايد الكوارث الطبيعية وتجدد اهتمام المشرّعين بقوانين بيئية، مثل ضريبة الكربون، فرصًا فريدة للشركات التي تتمتع بموقع مناسب.

NET Power Inc

NPWR مخطط السعر

تأسست شركة الطاقة المتجددة NET Power Inc، ومقرها كارولاينا الشمالية، (NPWR )

عام 2010 لإنشاء توربين لتوليد الكهرباء لا ينتج أي انبعاثات هوائية. ونجحت الشركة بدعم مستثمرين استراتيجيين وباحثين متعددين. وهي اليوم من أبرز موردي التوربينات التي تعمل بثاني أكسيد الكربون فوق الحرج عالي الضغط.

تعيد هذه الأجهزة تدوير انبعاثات ثاني أكسيد الكربون لخفض تكاليف التشغيل وإزالة تلوث الهواء. وقد حقق المشروع نجاحًا كبيرًا، ويراه كثيرون خطوة مهمة استعدادًا للطلب المتزايد على الكهرباء الذي تفرضه أنظمة الذكاء الاصطناعي على الشبكة.

تدعم NET Power Inc. شركات Occidental وBaker Hughes (BKR ) وConstellation ومجموعة SK. وتجعل هذه الشبكة، إلى جانب نهجها المبتكر في توليد الطاقة، سهم NET Power Inc. خيارًا استثماريًا ذكيًا للمتداولين الساعين إلى التعرض لقطاع الطاقة النظيفة.

Aker Carbon Capture

تُعد Aker Carbon Capture موردًا رائدًا لأجهزة احتجاز ثاني أكسيد الكربون التجارية. وأُطلق المشروع في أغسطس 2020، وهو تابع لشركة الاستثمار Aker Horizons التي تركز على إطلاق شركات تقنيات نظيفة قادرة على إحداث تحول في السوق.

شهدت Aker Carbon Capture تقلبات عدة. وحصل المشروع على أول عقد في العالم لاحتجاز الكربون وتخزينه في منشأة لإنتاج الأسمنت. وفي أغسطس 2024، أصبحت الشركة أول من يحصل على عقد لتصميم ودمج محطة واسعة النطاق لاحتجاز الكربون تخدم منشأة للّب والورق في الولايات المتحدة.

تراجع سهم Aker Carbon Capture، المتاح فقط خارج البورصة، تدريجيًا خلال السنوات الماضية. لكن نتائج الربع الثالث الأخيرة أظهرت امتلاك الشركة 4.5 مليارات كرونة نرويجية نقدًا، ومركزًا قويًا لحقوق الملكية يبلغ 5.5 مليارات كرونة نرويجية.

دُفع هذا النمو بشراكة استراتيجية مع SLB أدت إلى إنشاء SLB Capture. ويرى المحللون في هذه الشراكة إشارة «شراء» لسهم ACC.OL، الذي يتمتع بموقع مناسب للنمو في اقتصاد احتجاز الكربون.

يمكن للتحسينات في تقنية التقاط الهواء المباشر أن تدعم الاقتصاد الأخضر

عند النظر إلى مزايا الالتقاط المباشر للكربون من الهواء بالتزامن مع مصادر الطاقة والممارسات المتجددة، يسهل فهم سبب اعتبار كثيرين له أفضل نهج لمنع انهيار مناخي. ويدفع هذا البحث الأحدث عملية احتجاز ثاني أكسيد الكربون إلى الأمام، ويتيح نشر أجهزة الاحتجاز على نطاق جديد تمامًا. وبذلك تصبح التقنية جاهزة للمرحلة التالية من الاختبار ثم النشر.

اكتشف مشاريع بيئية أخرى رائعة اليوم.

مرجع الدراسة:

^{1. Zhang, X., Fang, Z., Zhu, P., et al. (2025). إعادة تجديد كيميائي كهربائي لثاني أكسيد الكربون عالي النقاء من (ال)كربونات في مفاعل إلكتروليت صلب مسامي لالتقاط الكربون بكفاءة. Nature Energy, 10(1), 55–65. https://doi.org/10.1038/s41560-024-01654-z}