عمليات التجوية الطبيعية المعززة تعزز تخزين ثاني أكسيد الكربون

يجب على العلماء تجاوز تحديات بيئية خطيرة إذا كان العالم يرغب في تحقيق أهداف الحياد الكربوني بحلول عام 2050. منذ الثورة الصناعية، ارتفعت التلوث الناتج عن الإنسان إلى مستويات جديدة، مسببًا ضررًا للأنظمة البيئية الحساسة والصحة وتغيير أنماط الطقس. إحدى الطرق لمكافحة هذا التغير المناخي والتي يمكن أن تقلل من الأثر البيئي هي تخزين ثاني أكسيد الكربون. ومع ذلك، هناك العديد من العوامل المحدودة.

لحسن الحظ، قدم علماء من جامعة ستانفورد طريقة جديدة لاحتجاز وتخزين ثاني أكسيد الكربون تستلهم من طرق إنتاج الخرسانة القديمة. يمكن لهذا الحل الفعال للغاية ومنخفض التكلفة أن يحدث ثورة في الصناعات ويساعد على منع المزيد من الضرر البيئي. إليكم ما تحتاجون إلى معرفته.

التقاط ثاني أكسيد الكربون

من الجدير بالذكر أن الأرض تمتلك وسيلة فعالة جدًا لالتقاط ثاني أكسيد الكربون. من خلال عملية التجوية، تغير المعادن تركيبتها الكيميائية على مدى آلاف السنين، مما يؤدي إلى امتصاص ثاني أكسيد الكربون ببطء خلال رحلتها.

على وجه التحديد، تتفاعل معادن السيليكات الغنية بالمغنيسيوم في الأرض مع الماء وثاني أكسيد الكربون الجوي. تتسبب هذه التفاعل الكيميائي في تبادل أيونات، مما ينتج عنه تكوين أيونات البيكربونات ومعادن الكربونات الصلبة. كلا هذين النوعين من المعادن يوفران امتصاصًا ممتازًا لثاني أكسيد الكربون.

التجوية تستغرق وقتًا طويلاً

تعمل عملية التجوية بشكل ممتاز إذا كان لديك ألف عام لتنتظر اكتمال العملية. ومع ذلك، فإن البشرية تعمل وفق جدول زمني أكثر ضيقًا، حيث هناك حاجة فورية لمكافحة مخاطر الغازات الدفيئة وغيرها من الانبعاثات. وبالتالي، تم إجراء الكثير من الأبحاث لتقليل ثاني أكسيد الكربون عبر طرق أخرى.

معادن متجوية

حلول تخزين ثاني أكسيد الكربون المصنوعة من قبل الإنسان

منذ التسعينيات، تم إحراز تقدم كبير في قطاع التقاط الكربون. ابتكر العلماء عدة طرق لمنع الكربون من الهروب إلى الغلاف الجوي. من بين هذه التقنيات، تُعد طرق التقاط الهواء المباشر هي الأكثر تقدمًا. تستخدم هذه الأجهزة مراوح كبيرة لدفع الهواء عبر مداخل تدعم التفاعلات الكيميائية، مما يحول الكربون إلى مواد أقل ضررًا أو يزيله تمامًا من الهواء.

مشكلات أنظمة تخزين ثاني أكسيد الكربون الحالية

هناك عدة عيوب في طرق التقاط ثاني أكسيد الكربون الحالية. أولاً، أنظمة التقاط الهواء المباشر مكلفة في الإنتاج والصيانة والتكامل. تجعل هذه التكاليف الإضافية منها غير عملية للعديد من الشركات والتطبيقات. بالإضافة إلى ذلك، فهي تستهلك طاقة كبيرة، مما يزيد من تكاليف تشغيل هذه الأنظمة. لحسن الحظ، هذا الوضع على وشك التغيير.

دراسة تخزين ثاني أكسيد الكربون

نشر فريق من علماء ستانفورد مؤخرًا مقالة بعنوان \”تفاعلات تبادل الحرارة Ca2+/Mg2+ لتصنيع مواد إزالة ثاني أكسيد الكربون\” في المجلة العلمية نيتشر. تناولت الدراسة إنشاء عملية كيميائية جديدة تنشط معادن السيليكات الخاملة عبر تفاعل تبادل أيونات.

تقنيات التجوية المعززة

كان هدف الدراسة إظهار كيف يمكن، من خلال استخدام الحرارة ومعادن مختارة، تسريع عملية التجوية من قرون إلى ساعات. بدأ الفريق بحثه بتسخين أكسيد الكالسيوم مع معادن تحتوي على أيونات المغنيسيوم والسيليكات.

تسمح الحرارة المتحكم فيها للسيليكات بالتنشيط وتبادل الأيونات، مما ينتج معدنين يلتزمان بثاني أكسيد الكربون، وهما أكسيد المغنيسيوم وسيليكات الكالسيوم. هذه المعادن ذات التفاعل العالي تلتقط وتخزن الكربون الجوي بمعدل أسرع بآلاف المرات مقارنة بهياكلها السابقة.

الإلهام

من المثير للاهتمام أن الإلهام وراء هذا البحث الثوري يأتي من طريقة خلط الخرسانة القديمة. تطلبت العملية من العمال تسخين أكسيد الكالسيوم إلى 1400 درجة في فرن. بعد ذلك، كان البناؤون القدماء يخلطون الرمل. ومع ذلك، عدل الباحثون هذه الخطوة لتناسب أغراضهم.

بدلاً من ذلك، خلط الفريق أكسيد الكالسيوم مع معادن أخرى تحتوي على أيونات المغنيسيوم والسيليكات لإنتاج أكسيد المغنيسيوم وسيليكات الكالسيوم. ومن الجدير بالذكر أن الفريق جرب معادن مختلفة، بما في ذلك الأوليفين، والسيربينتين، والأوجيت. جميع هذه الخيارات أثبتت فعاليتها.

اختبار تخزين ثاني أكسيد الكربون

اختبر الكيميائيون في جامعة ستانفورد تفاعل المعادن الجديدة في ظروف درجة حرارة الغرفة. شملت الاختبارات استخدام كل من ثاني أكسيد الكربون النقي والبيئات المفتوحة. تم تعريض سيليكات الكالسيوم وأكسيد المغنيسيوم للهواء المفتوح لتسجيل التفاعل عند درجة حرارة الغرفة. وكانت النتائج مدهشة.

نتائج الاختبار

سعد المهندسون برؤية أن كل من CaCO3 وCaSO4 تفاعلا كميًا مع سيليكات غنية بالمغنيسيوم المتنوعة. عند تعرضها للماء وثاني أكسيد الكربون النقي، امتصت العينات المختبرة في المختبر ثاني أكسيد الكربون بمعدلات غير مسبوقة. على وجه التحديد، احتاج كل من سيليكات الكالسيوم وأكسيد المغنيسيوم ساعتين فقط لإكمال استخراج ثاني أكسيد الكربون.

اختبار الهواء المفتوح

لاختبار المادة الجديدة في بيئة أكثر واقعية، أجرى الفريق اختبارات الهواء المفتوح. استخدموا عينات مبللة من سيليكات الكالسيوم وأكسيد المغنيسيوم لهذه المرحلة. تبين أن المعادن تعمل كما هو مخطط لها. كان التقاطها لثاني أكسيد الكربون أبطأ لأن تركيز ثاني أكسيد الكربون كان أقل بكثير مقارنة بالاختبارات التي استخدمت ثاني أكسيد الكربون النقي، لكنه لا يزال أكثر فعالية بكثير من الخيارات الطبيعية.

فوائد الدراسة

هناك العديد من الأسباب التي قد تدفع شركة لاستخدام هذه البيانات لتحسين بيئتها. أولاً، إنها حل أكثر تكلفة مقارنةً بالتقاط الكربون المباشر. العملية تأخذ معدنًا تفاعليًا واحدًا وتنتج معدنين صُمما خصيصًا لإزالة ثاني أكسيد الكربون دون أي أجزاء متحركة، مما يعزز موثوقيته.

منخفض الطاقة

لاحظ المهندسون أن تصاميم الأفران نفسها المستخدمة في صنع الأسمنت هي الطريقة المثالية لإنتاج المعادن الجديدة. يتطلب هذا النهج أقل من نصف الطاقة المستخدمة في خيارات التقاط الهواء المباشر الرائدة. على وجه التحديد، يتطلب -1 مكWh لكل طن من ثاني أكسيد الكربون المُزال، مما يجعله حلًا ذكيًا لمعظم التطبيقات.

سهل الوصول

تُعتبر هذه الدراسة من قبل الكثيرين نقطة تحول بسبب سهولة الوصول إلى المواد اللازمة لتشغيلها. يقدّر العلماء حاليًا أن هناك 100,000 جيغاطن من احتياطيات الأوليفين والسيربينتين. بالإضافة إلى ذلك، أشار الفريق إلى وجود أكثر من 400 مليون طن من مخلفات المناجم التي تحتوي على سيليكات مناسبة تُنتج حول العالم. توفر هذه الخيارات ما يكفي من المواد لمواجهة مشكلات ثاني أكسيد الكربون التي يسببها الإنسان.

كما أن هذه المواد يمكن إنتاجها في أفران قياسية، لذا لا توجد عوائق تقنية كبيرة يجب تجاوزها. الإعداد سهل، ويمكن نقله وتكامله بجهد قليل، ويستخدم أدوات ومعادن ومعرفة متاحة بسهولة. علاوة على ذلك، تعمل أفران الأسمنت لعقود، مما يقلل من تكاليف الصيانة.

قابل للتوسع

فائدة رئيسية أخرى لهذه الدراسة هي أنها تقدم خيارًا قابلًا للتوسع لتخزين ثاني أكسيد الكربون الصناعي. تتطلب أنظمة التقاط الهواء المباشر الكثير من التعديلات للتكامل، وتكاليفها قد تجعلها غير متاحة للعديد من المصنعين في الوقت الحالي.

توفر طريقة التجوية المعززة بديلًا قابلًا للتوسع يمكن أن يتطور لتلبية احتياجات القطاع الصناعي العالمي. ومن المثير للاهتمام أن الفريق يقدّر أن كل طن من المادة التفاعلية سيزيل طنًا واحدًا من ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي.

تطبيقات تخزين ثاني أكسيد الكربون

هناك العديد من التطبيقات لخيار تخزين ثاني أكسيد الكربون العملي والميسور التكلفة. تستمر الشركات في البحث عن طرق للامتثال للقيود الكربونية وتحقيق الهدف العالمي للانبعاثات الصافية الصفرية. يمكن لهذه التقنية المساعدة في تحقيق ذلك الهدف وجعل السيليكات الغنية بالمغنيسيوم موردًا قيمًا في الوقت نفسه.

الزراعة

قد يستفيد قطاع الزراعة أكثر شيء من هذه الدراسة. ينفق المزارعون الكثير من الأموال لإضافة القلويات إلى التربة لرفع درجة الحموضة في حقولهم وتحسين المحاصيل. ستمكن هذه التقنية المزارعين من إزالة الكربون في السيليكات التي يمكن للنباتات الاستفادة منها، وفي الوقت نفسه إضافة معادن قلوية لتحسين الغلات. بالإضافة إلى ذلك، ستنتقل المعادن التي تم التقاط الكربون فيها في النهاية إلى المحيط لتخزينه بأمان وبشكل دائم.

الصناعي

هناك العديد من التطبيقات الصناعية لهذه التقنية. أولاً، قد نرى يومًا يوزع فيه المصنعون أكسيد المغنيسيوم وسيليكات الكالسيوم على عمليات ضخمة لإزالة ثاني أكسيد الكربون من الهواء المحيط. يقدم هذا النهج خيارًا فعالًا من حيث التكلفة وسهل البدء.

باحثو الدراسة

قاد باحثو ستانفورد ماثيو كانان ويوكسوان تشين دراسة تخزين ثاني أكسيد الكربون. عملوا مع فرق من سانفورد وتلقوا منحة من مسرّع الاستدامة في كلية ستانفورد دوير للاستدامة. الآن، يسعى الفريق لإيجاد شركاء للمساعدة في تطوير وإطلاق منتجات تخزين ثاني أكسيد الكربون إلى السوق.

الشركات الرائدة في سوق تخزين ثاني أكسيد الكربون

ساهم السعي لتحقيق الحياد الكربوني في خلق اقتصاد مزدهر لتخزين الكربون. يضم هذا القطاع شركات تطور أو توفر أو تقدم حلول ضريبية لالتقاط الكربون إلى السوق. شهدت هذه الشركات نموًا كبيرًا خلال السنوات الخمس الأخيرة بسبب الطلب المتزايد على الطاقة النظيفة ومكافحة التلوث. إليكم شركة واحدة لا تزال تقود الصناعة.

Quanta Services, Inc.

دخلت Quanta Services, Inc (PWR ) السوق في عام 1997. أراد مؤسسها، جون ر. كولسون، تقديم حلول بنية تحتية للطاقة لعملاء الشركات. في عام 1998، أصبحت Quanta Services شركة عامة. وفي أقل من عقد، أُدرجت في مؤشر S&P 500. اليوم، تمتلك الشركة منتجات تغطي مجموعة واسعة من الصناعات، بما في ذلك التقاط ثاني أكسيد الكربون، وتوليد الطاقة، والطاقة المتجددة، والعديد غيرها.

تُعد Quanta Services, Inc. منافسًا رئيسيًا في صناعة التقاط ثاني أكسيد الكربون. توظف حاليًا 58,400 عامل وتقدم منتجاتها عالميًا. أظهرت الشركة مرونةً خلال ظروف السوق المتقلبة وتتمتع برأس مال سوقي حالي قدره 38.42 مليار دولار. هذه العوامل، إلى جانب سمعتها المرموقة، تجعل من Quanta Services Inc. إضافة ذكية إلى محفظتك.

آخر الأخبار عن Quanta Services

تخزين ثاني أكسيد الكربون عبر التجوية الطبيعية المعززة هو اختراق كبير

ستعتمد مستقبل تخزين ثاني أكسيد الكربون على عوامل عديدة. يفتح هذا البحث الأخير الباب أمام تنظيف واسع النطاق لثاني أكسيد الكربون. ومن المثير للاهتمام أن المهندسين يستطيعون حاليًا إنتاج 33 رطلًا من مادة السيليكات أسبوعيًا. ومع ذلك، تتوفر ملايين الأطنان من أكسيد المغنيسيوم وسيليكات الكالسيوم. وبالتالي، ستكون خطواتهم التالية هي إقامة شراكات لتحسين عمليات الاستخراج والتحويل.

إن مفهوم إزالة مليارات الأطنان من ثاني أكسيد الكربون بشكل دائم من الغلاف الجوي باستخدام الإمداد اللامحدود من المعادن على الأرض منطقي. وبالتالي، قد يكون لهذا الاختراق العلمي تأثيرًا كبيرًا على صناعة التقاط ثاني أكسيد الكربون وقد يؤدي إلى انتشار هذه التقنية بقدر انتشار وحدات التكييف. في الوقت الحالي، يجب أن تشيد بعبقرية جهود الفريق وإبداعه.

تعرف على مشاريع الاستدامة الذكية الأخرى هنا.

مرجع الدراسة:

^{1. Chen, Y., Kanan, M.W. Thermal Ca2+/Mg2+ exchange reactions to synthesize CO2 removal materials. Nature 638, 972–979 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-024-08499-2}