Håndtering af CO2-problemer med nyopdagede fotokatalytiske materialer

Den globale udledning af kuldioxid er den største udfordring, vi står over for i dag. Disse emissioner er især vokset til at blive en eksistenstrussel i løbet af de sidste 75 år. 

I 1950 verdens udledning var 6 milliarder ton af kuldioxid. I 1990 var den steget til 20 milliarder ton. Og nu er den mere end 35 milliarder ton. USA alene har udledt omkring 400 milliarder ton kuldioxid siden 1751, næsten en fjerdedel af alle emissioner til dato. Siden 1751 har den samlede globale udledning af kuldioxid været 1,5 billioner ton. 

Kuldioxid kan komme fra mange kilder, herunder forbrænding af fossile brændstoffer, skovbrande, vulkanudbrud osv. Det er skadeligt, fordi det er en varmefangende gas. Kuldioxid og andre drivhusgasser danner et tæppe eller en kappe, der fastholder varme, som planeten ellers ville have strålet ud i rummet. 

Det, der er endnu mere bekymrende, er at kuldioxidens varmefangende egenskaber er enorme, og en lille mængde atmosfærisk kuldioxid kan fastholde enorme mængder varme. Den over 35 milliarder ton udledningsfigur, vi diskuterede, er resultatet af den blot tilstedeværelse af kuldioxid i skalaen af 0.04 % af atmosfæren. 

“Hvis en person af min størrelse drikker to øl, vil min blodalkoholindhold være omkring 0,04 %.” 

Han fortsætter dog med at minde os om, at selv en lille mængde af et stof kan medføre ugunstige konsekvenser, der er uoprettelige. Han siger videre: 

“Det kræver ikke så meget cyanid for at forgifte en person. Det handler om, hvordan netop dette stof interagerer med det større system, og hvad det gør for at påvirke det system.”

Derfor er de varmefangende egenskaber ved kuldioxid og andre drivhusgasser en trussel, der skal håndteres med største hastighed og alvor. 

Climate and Clean Air Coalition, et af UNEP indkaldt initiativ, anerkender denne hastighed i de mest velformulerede termer. De siger: 

“Vi løber løbsk med tiden for at holde opvarmningen under 2 grader Celsius.”

Ifølge Durwood Zaelke, formand for komitéen og præsident for Institute for Governance and International Development (IGSD): 

“Vi kan ikke løse et hurtigt bevægende problem som klimaændringer med langsomt bevægende løsninger. Hastighed er vores nye måleparameter – hastighed til at reducere SLCP’er inden 2030, opnå ren energi og netto nul emissioner inden 2050, og fjerne en voksende andel af den kuldioxid, vi allerede har udledt.”

Zaelke kvantificerer yderligere målet ved at sige:  

“Reduktion af SLCP’er kan undgå 0,6 graders opvarmning inden midten af århundredet og har en vigtig rolle, hvis vi vil holde opvarmningen på 1,5 grader.”

Her står SLCP’er for kortlivede klimaforurenende stoffer. Håndtering af kuldioxid-problemer er timens behov. At imødekomme den hidtil usete hastighed vil ikke være muligt uden innovative løsninger. I de følgende afsnit diskuterer vi sådanne innovative metoder, der for nylig er opstået. 

Forskere viser vejen til at omdanne kuldioxid til bæredygtig brændstof

Et internationalt forskerteam, bestående af repræsentanter fra University of Nottingham’s School of Chemistry, University of Birmingham, University of Queensland og University of Ulm, har designet et materiale som kan betragtes som en betydningsfuld og afgørende form i produktionen af nye grønne brændstoffer.

Mere om materialet

Materialet er afledt af kobber forankret på nanokrystallinsk carbon nitrit. Kobberatomerne hviler inden for den nanokrystallinske struktur, hvilket tillader elektroner at bevæge sig fra carbon nitrit til kuldioxid. Denne bevægelse er afgørende for at producere methanol fra kuldioxid under sollys. 

Hvis det med succes opnår skala, vil proceduren løse et af de mest kritiske problemer i håndteringen af truslerne fra kuldioxid. 

Kuldioxid, den mest betydningsfulde drivkraft for global opvarmning, kan omdannes til nyttige produkter. Indtil nu har disse konverteringsprocesser krævet, at vi er afhængige af hydrogen fra fossile brændstoffer. Solenergi anvendes for første gang. 

Forskningen bekræfter behovet for at udvikle alternative metoder, baseret på foto- og elektrokatalyse, processer der effektivt udnytter bæredygtig solenergi og vandets overflod. 

Ifølge Dr. Madasamy Thangamuthu, en af forskningsmedarbejderne i School of Chemistry: 

“Der er en stor variation af forskellige materialer, der anvendes i fotokatalyse. Det er vigtigt, at fotokatalysatoren absorberer lys og adskiller ladningsbærere med høj effektivitet. I vores tilgang kontrollerer vi materialet på nanoskala. Vi har udviklet en ny form for carbon nitrit med krystallinske nanoskaladomæner, der tillader effektiv interaktion med lys samt tilstrækkelig ladningsseparation.”

Klik her for en liste over de bedste aktier inden for CO2-opsamling.

Mere om processen

Den opvarmningsproces, der blev brugt i forskningen, sikrede, at carbon nitrit opnåede det nødvendige krystallinitetsniveau, hvilket er essentielt for at maksimere materialets potentiale for fotokatalyse. Processen omfattede også magnetronsputtering for at aflejre kobber uden brug af opløsningsmidler. Fraværet af opløsningsmidler tillod intim kontakt mellem halvleder- og metalatomer. 

Ifølge Tara LeMercier, en PhD-studerende ved University of Nottingham School of Chemistry: 

“Selv uden kobber er den nye form for carbon nitrit 44 gange mere aktiv end traditionel carbon nitrit. Til vores overraskelse firedoblede tilsætning af kun 1 mg kobber pr. 1 g carbon nitrit denne effektivitet. Mest vigtigt er, at selektiviteten skiftede fra metan, en anden drivhusgas, til methanol, et værdifuldt grønt brændstof.”

Samlet set var eksperimentet banebrydende, fordi det brugte katalysatorer, der kun bestod af bæredygtige elementer. Ifølge School of Chemistry-professor Andrei Khlobystov: 

“Værdiskabelse af kuldioxid er nøglen til at nå Storbritanniens netto‑nul ambition. Det er afgørende vigtigt at sikre bæredygtigheden af vores katalysatormaterialer for denne vigtige reaktion. En stor fordel ved den nye katalysator er, at den består af bæredygtige elementer – carbon, nitrogen og kobber – som alle er meget udbredte på vores planet.”

Virksomheder verden over arbejder på at omdanne kulstof til grøn energi. Nogle af disse virksomheder har givet os virkelig spændende, innovative og effektive løsninger. 

#1. Climeworks

Climeworks er kendt for sine direkte luftopsamlings- og lagringsfaciliteter, som fjerner kuldioxid fra luften. Ud over at drive sine kuldioxidfjerningsfaciliteter samarbejder Climeworks også med andre for at sikre en fuld portefølje af højkvalitetsløsninger til den globale netto‑nul strategi.

Virksomheden er aktiv over hele verden og tilbyder forskellige løsninger skræddersyet til specifikke behov. For eksempel i Island transporterer virksomheden, med hjælp fra sin lagringspartner Carbfix, kuldioxid dybt ned i jorden og får den til at reagere med basaltsten gennem en naturlig proces, så den skadelige emission kan omdannes til sten og forblive sikkert indkapslet i over 10.000 år. 

I USA har Climeworks annonceret tre projekter under United States Department of Energy’s Regional DAC Hubs program. Projekt Cypress, hvor Climeworks har været en udviklingspartner, vil implementere den direkte luftopsamlingsmetode for at fjerne overskydende kuldioxid (CO2) fra atmosfæren for på lang sigt at forhindre forværring af ekstreme vejrhændelser såsom orkaner, tørke og oversvømmelser.

I Zürich, Schweiz, har Climeworks udviklet en facilitet, der hjælper med at producere kulstofneutrale grøntsager. Dens direkte luftopsamlingsanlæg pumper gassen ind i drivhuse, hvilket øger plantens fotosyntese og øger udbyttet med op til 20 %. Climeworks siger, at de vil udtrække omkring 900 ton CO2 om året fra luften.

Ifølge Matt Lucas fra Centre for Carbon Removal: 

“Teknologier til at fange CO2 fra luften, som Climeworks’ enheder, har potentiale for den slags kraftige prisfald, som vi har set fra sol, vind og batterier, som også er fabriksproducerede produkter.”

Den 9. april 2024 modtog Climeworks 2,2 millioner CHF (26 mio. NOK) i norsk finansiering fra Enova, statsejet virksomhed under den norske regerings Klima- og Miljøministerium. 

For to år siden havde Climeworks underskrevet en egenkapitalrunde på 600 millioner CHF (USD 650 millioner). Listen over investorer omfattede flere kendte og store institutionelle teknolog‑ og infrastrukturinvestorer globalt.

#2. Heirloom Carbon

Heirloom Carbon har bygget den første kommercielle direkte luftopsamlingsfacilitet i USA. Faciliteten drives fuldt ud af vedvarende energi og fjerner permanent kuldioxid fra atmosfæren. 

Den udnytter processen med carbon mineralisering, hvor sten som kalksten – kendt som naturlige kulstofsænker – over tid indfanger store mængder CO2. Som en af de mest udbredte sten på planeten kan kalksten indfange enorme mængder CO2 fra luften over årene. Heirloom Carbons teknologi fremskynder denne proces til kun få dage. 

Heirloom’s teknologi har flere fordele. Den fjerner permanent kuldioxid, så gassen forbliver sikkert lagret under jorden for evigt. Heirloom’s tjenester har også et minimalt miljøaftryk, da deres faciliteter kan fjerne 50 ton CO2 pr. kvadratmeter og kan placeres på ikke‑brugebart jord.

Med tiden tror Heirloom, at deres tjenester vil blive optimalt omkostningseffektive, med deres kuldioxidfjerningskreditter til en pris under 100 USD per ton kuldioxid inden 2035. 

I april 2022, Heirloom rejste US$ 1 million som en bevilling fra Mask Foundation og XPRIZE. De rejste US$ 53 millioner i serie A fra AENU og et dusin andre investorer den 17. march 2022. I juni 2021 modtog Heirloom en bevilling på US$ 255 737 fra National Science Foundation. 

Fokus på en omfattende plan for håndtering af CO2-emissioner

En sådan plan ser på den samlede livscyklus for CO2-emissioner og planlægger at tackle den overalt på den mest fornuftige, stedoptimerede og effektive måde muligt. For eksempel hjælper løsninger som Climate TRACE med at identificere globale emissionshotspots ved hjælp af satellitter og maskinlæring. Virksomheder som CarbonChain hjælper derimod med at reducere emissioner i forsyningskæden ved at assistere virksomheder i at profilere deres nuværende emissioner og finde måder at reducere dem på ved brug af kunstig intelligens. At genkende energilækager er også en del af denne omfattende plan. 

Når identifikationsprocessen er afsluttet, er der tre mulige måder at tackle CO2-problemer på. Den første fokuserer på at stoppe yderligere klimaskader fra kuldioxidemissioner. Den anden handler om at øge energieffektiviteten, så vi kan reducere vores afhængighed af fossile brændstoffer. Den tredje, som også er den mest ambitiøse af de tre, forsøger at vende den skade, der allerede er sket. 

Hvad angår specifikke løsninger, er mange idéer udviklet. Videnskabsfolk har foreslået at dyrke planter eller tang, der kan absorbere CO2 fra atmosfæren mens de vokser, samtidig med at de fungerer som en vedvarende energikilde. Mere banebrydende og radikalt innovative eksperimenter involverer f.eks. en ny polymer, der kan indsamle solenergi. Disse polymerer kan derefter anvendes på tekstiler, så vores tøj også fungerer som grønne og mobile energikilder. 

Gennem årene er mange tiltalende anvendelser og løsninger udviklet inden for området for omvendelse af skader. For eksempel arbejder forskere med carbonbaseret beton, der frigiver CO2 fra industriel udledning til syntetisk kalksten, en nøgleingrediens i beton. I denne sammenhæng skal vi huske, at produktionen af beton udgør 4 % til 8 % af verdens CO2-emissioner. 

Der arbejdes også på at udvikle kulstofspisende afgrøder, kulstofbindende gødninger og meget mere. 

Med alle disse innovationer skal vi sikre en netto 55 % eller større reduktion i forhold til 1990‑niveauerne inden 2030 og et klima‑neutralitetsmål inden 2050. Selvom der stadig skal gøres meget mere inden for overgangen fra fossile brændstoffer til ren, vedvarende energi, skal globalt samarbejde også være effektivt i at stoppe skovrydning, bruge jord bæredygtigt og genoprette naturen. 

Vedvarende indsats vil til sidst hjælpe os med at balancere mængden af drivhusgasser, der udledes i atmosfæren, med indfangning og lagring af disse gasser i vores skove, oceaner og jord.