Αντιμετώπιση των Προβλημάτων του Διοξειδίου του Άνθρακα με Νέα Φωτοκαταλυτικά Υλικά

Ο παγκόσμιος όγκος εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα αποτελεί την πιο σοβαρή πρόκληση που αντιμετωπίζουμε σήμερα. Αυτές οι εκπομπές έχουν ιδιαίτερα αυξηθεί, καθιστώντας την ύπαρξή μας απειλημένη τα τελευταία 75 χρόνια. 

Το 1950, ο κόσμος εξέπεμπε 6 δισεκατομμύρια τόνους διοξειδίου του άνθρακα. Μέχρι το 1990, αυξήθηκε σε 20 δισεκατομμύρια τόνους. Και τώρα είναι πάνω από 35 δισεκατομμύρια τόνους. Οι Ηνωμένες Πολιτείες μόνες έχουν εκπομπή περίπου 400 δισεκατομμυρίων τόνων διοξειδίου του άνθρακα από το 1751, σχεδόν το ένα τέταρτο όλων των εκπομπών μέχρι σήμερα. Από το 1751, ο συνολικός παγκόσμιος όγκος εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα ανέρχεται σε 1,5 τρισεκατομμύρια τόνους. 

Το διοξείδιο του άνθρακα μπορεί να προέρχεται από πολλές πηγές, όπως η καύση ορυκτών καυσίμων, τα δάση πυρκαγιές, οι ηφαιστειακές εκρήξεις κ.λπ. Είναι επιβλαβές επειδή είναι αέριο παγίδευσης θερμότητας. Το διοξείδιο του άνθρακα και άλλα αέρια του θερμοκηπίου σχηματίζουν ένα κάλυμμα ή επικάλυψη που παγιδεύει τη θερμότητα που ο πλανήτης θα μπορούσε διαφορετικά να εκπέμπει στο διάστημα. 

Ακόμη πιο ανησυχητικό είναι ότι οι δυνατότητες παγίδευσης θερμότητας του διοξειδίου του άνθρακα είναι τεράστιες, και ένας μικρός όγκος ατμοσφαιρικού διοξειδίου του άνθρακα μπορεί να παγιδεύσει τεράστιους όγκους θερμότητας. Ο αριθμός των εκπομπών άνω των 35 δισεκατομμυρίων τόνων που συζητήσαμε είναι το αποτέλεσμα της απλής παρουσίας του διοξειδίου του άνθρακα σε κλίμακα 0,04% της ατμόσφαιρας. 

Καθώς εξηγούσε πόσο αμελητέα είναι η παρουσία του διοξειδίου του άνθρακα στην ατμόσφαιρα, ο Jason Smerdon, κλιματικός επιστήμονας στο Λαμόντ-Ντόχέρτι Earth Observatory του Πανεπιστημίου Columbia, έδωσε την ακόλουθη αναλογία: 

“Αν κάποιος του μεγέθους μου πιει δύο μπύρες, το ποσοστό αλκοόλ στο αίμα μου θα είναι περίπου 0,04 τοις εκατό.” 

Ωστόσο, συνέχισε να μας υπενθυμίζει ότι ακόμη και ένας μικρός όγκος μιας ουσίας μπορεί να προκαλέσει δυσμενείς συνέπειες που ξεπερνούν την επισκευή. Συνεχίζει λέγοντας: 

“Δεν χρειάζεται τόσο πολύ κυανίδιο για να δηλητηριάσει ένα άτομο. Εξαρτάται από το πώς αυτή η συγκεκριμένη ουσία αλληλεπιδρά με το μεγαλύτερο σύστημα και τι κάνει για να το επηρεάσει.”

Επομένως, οι ιδιότητες παγίδευσης θερμότητας του διοξειδίου του άνθρακα και άλλων αερίων του θερμοκηπίου αποτελούν απειλή που πρέπει να αντιμετωπιστεί με άμεση βαρύτητα και ειλικρίνεια. 

Η Climate and Clean Air Coalition, μια πρωτοβουλία που οργανώθηκε από το UNEP, αποδέχεται αυτή την επείγουσα ανάγκη με τους πιο σαφείς όρους. Λέει: 

“Τρέχουμε από το χρόνο για να διατηρήσουμε την υπερθέρμανση κάτω από 2 βαθμούς Κελσίου.”

Σύμφωνα με τον Durwood Zaelke, Πρόεδρο της Επιτροπής και Πρόεδρο του Institute for Governance and International Development (IGSD):

“Δεν μπορούμε να λύσουμε ένα γρήγορα εξελισσόμενο πρόβλημα όπως η κλιματική αλλαγή με αργές λύσεις. Η ταχύτητα είναι το νέο μας μέτρο — ταχύτητα για τη μείωση των SLCPs έως το 2030, για την επίτευξη καθαρής ενέργειας και μηδενικών εκπομπών έως το 2050, και για την αφαίρεση ενός αυξανόμενου μεριδίου του διοξειδίου του άνθρακα που έχουμε ήδη εκπομπή.”

Ο Zaelke περαιτέρω ποσοτικοποιεί τον στόχο λέγοντας:  

“Η μείωση των SLCPs μπορεί να αποτρέψει 0,6 βαθμούς υπερθέρμανσης μέχρι τα μέσα του αιώνα και να διαδραματίσει σημαντικό ρόλο αν θέλουμε να διατηρήσουμε την υπερθέρμανση σε 1,5 βαθμούς.”

Εδώ, τα SLCPs σημαίνουν βραχυπρόθεσμα ρύπαντα του κλίματος. Η αντιμετώπιση των προβλημάτων του διοξειδίου του άνθρακα είναι η ανάγκη της ώρας. Η κάλυψη της άνευ προηγουμένου επείγουσας ανάγκης δεν θα είναι δυνατή χωρίς καινοτόμες λύσεις. Στα επόμενα τμήματα, συζητάμε τέτοιους καινοτόμους τρόπους που έχουν εμφανιστεί πρόσφατα. 

Οι Ερευνητές Δείχνουν Τρόπο για τη Μετατροπή του Διοξειδίου του Άνθρακα σε Βιώσιμο Καύσιμο

Μία διεθνής ομάδα ερευνητών, που αποτελείται από εκπροσώπους του Σχολείου Χημείας του Πανεπιστημίου Nottingham, του Πανεπιστημίου Birmingham, του Πανεπιστημίου Queensland και του Πανεπιστημίου Ulm, έχει σχεδιάσει ένα υλικό που μπορεί να θεωρηθεί ως σημαντικό και καθοριστικό βήμα στην παραγωγή νέων πράσινων καυσίμων.

Περισσότερα για το Υλικό

Το υλικό προέρχεται από χαλκό που είναι αγκυροβολημένος σε νανοκρυσταλλικό νιτρικό άνθρακα. Τα άτομα χαλκού βρίσκονται μέσα στη νανοκρυσταλλική δομή, επιτρέποντας στα ηλεκτρόνια να μετακινούνται από το νιτρικό άνθρακα στο διοξείδιο του άνθρακα. Αυτή η κίνηση είναι καθοριστική για την παραγωγή μεθανόλης από το διοξείδιο του άνθρακα υπό ηλιακή ακτινοβολία.

Αν επιτύχει την κλίμακα, η διαδικασία θα λύσει ένα από τα πιο κρίσιμα προβλήματα στην αντιμετώπιση των απειλών που προκαλεί το διοξείδιο του άνθρακα.

Το διοξείδιο του άνθρακα, ο πιο σημαντικός παράγοντας της παγκόσμιας υπερθέρμανσης, μπορεί να μετατραπεί σε χρήσιμα προϊόντα. Ωστόσο, μέχρι τώρα, αυτές οι διαδικασίες μετατροπής απαιτούσαν εξάρτηση από υδρογόνο προερχόμενο από ορυκτά καύσιμα. Η ηλιακή ενέργεια χρησιμοποιείται για πρώτη φορά.

Η έρευνα επικυρώνει την ανάγκη ανάπτυξης εναλλακτικών μεθόδων, βασισμένων στη φωτοκαταλυτική και ηλεκτροκαταλυτική, διαδικασίες που αξιοποιούν αποδοτικά την βιώσιμη ηλιακή ενέργεια και την αφθονία του νερού.

Σύμφωνα με τη Δρ. Madasamy Thangamuthu, μία από τις ερευνητικές συνεργάτες στο Σχολείο Χημείας: 

“Υπάρχει μεγάλη ποικιλία διαφορετικών υλικών που χρησιμοποιούνται στη φωτοκαταλυτική. Είναι σημαντικό ο φωτοκαταλύτης να απορροφά φως και να διαχωρίζει τους φορείς φορτίου με υψηλή αποδοτικότητα. Στην προσέγγισή μας, ελέγχουμε το υλικό σε νανοκλίμακα. Αναπτύξαμε μια νέα μορφή νιτρικού άνθρακα με κρυσταλλικούς νανοδικούς τομείς που επιτρέπουν αποδοτική αλληλεπίδραση με το φως καθώς και επαρκή διαχωρισμό φορτίων.”

Κάντε κλικ εδώ για μια λίστα με τις κορυφαίες μετοχές σύλληψης άνθρακα.

Περισσότερα για τη Διαδικασία

Η διαδικασία θέρμανσης που χρησιμοποιήθηκε στην έρευνα εξασφάλισε ότι το νιτρικό άνθρακα έφτασε στο απαιτούμενο επίπεδο κρυσταλλικότητας, απαραίτητο για τη μεγιστοποίηση του δυναμικού του υλικού στη φωτοκαταλυτική. Η διαδικασία περιελάμβανε επίσης μαγνητρονική ψήξη για την εναπόθεση χαλκού χωρίς τη χρήση διαλυτών. Η απουσία διαλυτών επέτρεψε στενή επαφή μεταξύ του ημιαγωγού και των ατόμων του μετάλλου.

Σύμφωνα με την Tara LeMercier, φοιτήτρια διδακτορικού στο Σχολείο Χημείας του Πανεπιστημίου Nottingham:

“Ακόμη και χωρίς χαλκό, η νέα μορφή νιτρικού άνθρακα είναι 44 φορές πιο ενεργή από τον παραδοσιακό νιτρικό άνθρακα. Ωστόσο, προς την έκπληξή μας, η προσθήκη μόνο 1 mg χαλκού ανά 1 g νιτρικού άνθρακα τετραπλασίασε αυτή την αποδοτικότητα. Το πιο σημαντικό, η επιλεκτικότητα άλλαξε από το μεθάνιο, ένα άλλο αέριο του θερμοκηπίου, στη μεθανόλη, ένα πολύτιμο πράσινο καύσιμο.”

Συνολικά, το πείραμα ήταν πρωτοποριακό καθώς χρησιμοποίησε καταλύτες που αποτελούνταν μόνο από βιώσιμα στοιχεία. Σύμφωνα με τον καθηγητή Αντρέι Khlobystov του Σχολείου Χημείας:

“Η αξιοποίηση του διοξειδίου του άνθρακα αποτελεί το κλειδί για την επίτευξη του στόχου μηδενικών εκπομπών του Ηνωμένου Βασιλείου. Είναι ζωτικής σημασίας να διασφαλιστεί η βιωσιμότητα των υλικών των καταλυτών μας για αυτή τη σημαντική αντίδραση. Ένα μεγάλο πλεονέκτημα του νέου καταλύτη είναι ότι αποτελείται από βιώσιμα στοιχεία — άνθρακας, άζωτο και χαλκό — όλα άφθονα στον πλανήτη μας.”

Εταιρείες παγκοσμίως εργάζονται για τη μετατροπή του άνθρακα σε πράσινη ενέργεια. Μερικές από αυτές τις εταιρείες μας έχουν προσφέρει πραγματικά συναρπαστικές, καινοτόμες και αποτελεσματικές λύσεις. 

#1. Climeworks

Η Climeworks είναι γνωστή για τις εγκαταστάσεις άμεσης σύλληψης και αποθήκευσης αέρα, που αφαιρούν το διοξείδιο του άνθρακα από τον αέρα. Εκτός από τη λειτουργία των εγκαταστάσεων αφαίρεσης άνθρακα, η Climeworks συνεργάζεται επίσης με άλλους για να εξασφαλίσει ένα πλήρες χαρτοφυλάκιο υψηλής ποιότητας λύσεων για τη παγκόσμια στρατηγική μηδενικού εκπομπών.

Η εταιρεία δραστηριοποιείται παγκοσμίως και προσφέρει διάφορες λύσεις προσαρμοσμένες σε συγκεκριμένες ανάγκες. Για παράδειγμα, στην Ισλανδία, η εταιρεία, με τη βοήθεια του συνεργάτη αποθήκευσης Carbfix, μεταφέρει το διοξείδιο του άνθρακα βαθιά κάτω στη γη και το κάνει να αντιδρά με βασάλτη μέσω μιας φυσικής διαδικασίας, ώστε η επιβλαβής εκπομπή να μετατραπεί σε πέτρα και να παραμείνει ασφαλώς εγκλωβισμένη για πάνω από 10.000 χρόνια.

Στις Ηνωμένες Πολιτείες, η Climeworks ανακοίνωσε τρία έργα υπό το πρόγραμμα Regional DAC Hubs του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ. Το Project Cypress, στο οποίο η Climeworks είναι αναπτυξιακός εταίρος, θα εφαρμόσει τη μέθοδο άμεσης σύλληψης αέρα για την αφαίρεση του πλεονάζοντος διοξειδίου του άνθρακα (CO2) από την ατμόσφαιρα, προκειμένου να αποτρέψει την επιδείνωση ακραίων καιρικών φαινομένων, όπως τυφώνες, ξηρασίες και πλημμύρες, μακροπρόθεσμα.

Στη Ζυρίχη, Ελβετία, η Climeworks ανέπτυξε μια εγκατάσταση που βοηθά στην παραγωγή λαχανικών με μηδενικό αποτύπωμα άνθρακα. Η μονάδα άμεσης σύλληψης αέρα της αντλεί το αέριο στα θερμοκήπια, ενισχύοντας τη φωτοσύνθεση των φυτών και αυξάνοντας την απόδοσή τους έως και 20%. Climeworks δηλώνει ότι θα εξάγει περίπου 900 τόνους CO2 ετησίως από τον αέρα.

Σύμφωνα με τον Matt Lucas του Κέντρου Αφαίρεσης Άνθρακα:

“Οι τεχνολογίες σύλληψης CO2 από τον αέρα, όπως οι μονάδες της Climeworks, έχουν τη δυνατότητα για τις απότομες μειώσεις τιμών που έχουμε δει στα ηλιακά, αιολικά και μπαταρίες, τα οποία επίσης παράγονται σε εργοστάσια.”

Στις 9 Απριλίου 2024, η Climeworks έλαβε 2,2 εκατομμύρια CHF (26 εκατομμύρια NOK) σε νορβηγική χρηματοδότηση από την Enova, την κρατική επιχείρηση που ανήκει στο Υπουργείο Κλίματος και Περιβάλλοντος της Νορβηγίας.

Πριν από δύο χρόνια, η Climeworks είχε υπογράψει μια γύρο ιδίων κεφαλαίων αξίας 600 εκατομμυρίων CHF (650 εκατομμύρια USD). Η λίστα των επενδυτών περιελάμβανε αρκετές γνωστές και μεγάλες θεσμικές επενδύσεις τεχνολογίας και υποδομών παγκοσμίως.

#2. Heirloom Carbon

Heirloom Carbon έχει κατασκευάσει την πρώτη εμπορική εγκατάσταση άμεσης σύλληψης αέρα στις Ηνωμένες Πολιτείες. Τροφοδοτούμενη πλήρως από ανανεώσιμη ενέργεια, η εγκατάσταση αφαιρεί μόνιμα το διοξείδιο του άνθρακα από την ατμόσφαιρα. 

Αξιοποιεί τη διαδικασία της ανθρακομετάλλωσης, όπου βράχοι όπως ο ασβεστόλιθος — γνωστοί ως φυσικοί απορροφητές άνθρακα — συλλαμβάνουν τεράστιες ποσότητες CO2 με την πάροδο του χρόνου. Ως ένας από τους πιο άφθονους βράχους του πλανήτη, ο ασβεστόλιθος μπορεί να συλλάβει μεγάλες ποσότητες CO2 από τον αέρα κατά τη διάρκεια των ετών. Και η τεχνολογία της Heirloom Carbon επιταχύνει αυτή τη διαδικασία σε λίγες μόνο ημέρες.

Η τεχνολογία της Heirloom προσφέρει πολλαπλά οφέλη. Αφαιρεί μόνιμα το διοξείδιο του άνθρακα, διασφαλίζοντας ότι το αέριο παραμένει ασφαλώς αποθηκευμένο υπόγεια για πάντα. Οι υπηρεσίες της Heirloom έχουν επίσης ελάχιστο περιβαλλοντικό αποτύπωμα, καθώς οι εγκαταστάσεις της μπορούν να αφαιρέσουν 50 τόνους CO2 ανά τετραγωνικό μέτρο και μπορούν να τοποθετηθούν σε μη καλλιεργήσιμη γη.

Με τον χρόνο, η Heirloom πιστεύει ότι οι υπηρεσίες της θα γίνουν βέλτιστα οικονομικά αποδοτικές, με τα πιστοποιητικά αφαίρεσης άνθρακα να κοστίζουν λιγότερο από 100 δολάρια ΗΠΑ ανά τόνο διοξειδίου του άνθρακα μέχρι το 2035.

Τον Απρίλιο του 2022, η Heirloom συγκέντρωσε 1 εκατομμύριο δολάρια ΗΠΑ ως επιχορήγηση από τη Mask Foundation και το XPRIZE. Συγκέντρωσε 53 εκατομμύρια δολάρια ΗΠΑ σε σειρά A από την AENU και μια δωδεκάδα άλλων επενδυτών στις 17 Μαρτίου 2022. Τον Ιούνιο του 2021, η Heirloom έλαβε μια επιχορήγηση αξίας 255.737 δολαρίων ΗΠΑ από το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών.

Εστίαση σε Ένα Ολοκληρωμένο Σχέδιο Αντιμετώπισης Εκπομπών Άνθρακα

Ένα τέτοιο σχέδιο εξετάζει ολόκληρο τον κύκλο ζωής των εκπομπών άνθρακα και σχεδιάζει την αντιμετώπισή τους παντού με τον πιο συνετό, βελτιστοποιημένο κατά τοποθεσία, αποδοτικό τρόπο. Για παράδειγμα, λύσεις όπως Climate TRACE βοηθούν στην ταυτοποίηση παγκόσμιων σημείων εκπομπών με δορυφόρους και μηχανική μάθηση. Εταιρείες όπως CarbonChain, από την άλλη, βοηθούν στη μείωση των εκπομπών στην αλυσίδα εφοδιασμού βοηθώντας τις εταιρείες να προφίλουν τις τρέχουσες εκπομπές τους και να βρουν τρόπους μείωσης μέσω της χρήσης τεχνητής νοημοσύνης. Η αναγνώριση διαρροών ενέργειας αποτελεί επίσης μέρος αυτού του ολοκληρωμένου σχεδίου.

Μόλις ολοκληρωθεί η διαδικασία ταυτοποίησης, υπάρχουν τρεις πιθανοί τρόποι αντιμετώπισης των προβλημάτων του διοξειδίου του άνθρακα. Ο πρώτος επικεντρώνεται στην παύση περαιτέρω κλιματικής ζημίας από τις εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα. Ο δεύτερος ασχολείται με την ενίσχυση της ενεργειακής αποδοτικότητας ώστε να μειώσουμε την εξάρτησή μας από τα ορυκτά καύσιμα. Ο τρίτος, που είναι επίσης ο πιο φιλόδοξος από τους τρεις, προσπαθεί να αντιστρέψει τη ζημιά που έχει ήδη συμβεί.

Όσον αφορά συγκεκριμένες λύσεις, έχουν εξελιχθεί πολλές ιδέες. Οι επιστήμονες έχουν προτείνει τη καλλιέργεια φυτών ή φυκιών που μπορούν να απορροφήσουν CO2 από την ατμόσφαιρα ενώ μεγαλώνουν, λειτουργώντας ταυτόχρονα ως πηγή ανανεώσιμης ενέργειας. Πιο πρωτοποριακά και ριζοσπαστικά πειράματα περιλαμβάνουν, για παράδειγμα, ένα νέο πολυμερές που μπορεί να συλλέγει ηλιακή ενέργεια. Αυτά τα πολυμερή μπορούν στη συνέχεια να εφαρμοστούν σε υφάσματα ώστε τα ρούχα μας να λειτουργούν ως πράσινες και κινητές πηγές ενέργειας.

Κατά τη διάρκεια των ετών, έχουν αναπτυχθεί πολλές ελκυστικές εφαρμογές και λύσεις στον τομέα της αντιστροφής της ζημιάς. Για παράδειγμα, οι επιστήμονες εργάζονται με σκυρόδεμα βασισμένο σε άνθρακα που απελευθερώνει CO2 από βιομηχανικές εκπομπές σε συνθετικό ασβεστόλιθο, ένα βασικό συστατικό του σκυροδέματος. Σε αυτό το πλαίσιο, πρέπει να θυμόμαστε ότι η παραγωγή σκυροδέματος αντιπροσωπεύει το 4% έως 8% των παγκόσμιων εκπομπών CO2.

Εργασίες συνεχίζονται επίσης για την ανάπτυξη καλλιεργειών που καταναλώνουν άνθρακα, λιπασμάτων που δεσμεύουν άνθρακα, και πολλά άλλα.

Με όλες αυτές τις καινοτομίες, πρέπει να διασφαλίσουμε μια καθαρή μείωση του 55% ή περισσότερο κάτω από τα επίπεδα του 1990 έως το 2030 και έναν στόχο κλιματικής ουδετερότητας έως το 2050. Ενώ χρειάζεται πολύ περισσότερη δουλειά στους τομείς της μετάβασης από τα ορυκτά καύσιμα σε καθαρή, ανανεώσιμη ενέργεια, η παγκόσμια συνεργασία πρέπει επίσης να είναι αποτελεσματική στην πρόληψη της αποψίλωσης δασών, στη βιώσιμη χρήση της γης, και στην αποκατάσταση της φύσης.

Συνεχείς προσπάθειες θα μας βοηθήσουν τελικά να εξισορροπήσουμε τον όγκο των αερίων του θερμοκηπίου που εκλύονται στην ατμόσφαιρα με τη σύλληψη και αποθήκευση αυτών των αερίων στα δάση, τους ωκεανούς και το έδαφος.