Εναλλακτικά Καύσιμα – Πώς το Φως Μπορεί να Βοηθήσει στην Ανακατασκευή του Διοξειδίου του Ανθρακα

Ένας από τους μεγαλύτερους причинτές της κλιματικής αλλαγής είναι το διοξείδιο του ανθρακα (CO2). Ένας σημαντικός αέριος ρύπος, το CO2, είναι αποτέλεσμα της καύσης ορυκτών καυσίμων (όπως πετρέλαιο, άνθρακας και φυσικό αέριο). Επίσης, συμβαίνει φυσικά μέσω της αναπνοής των ανθρώπων, της αναπνοής των φυτών και των ηφαιστειακών εκρήξεων.

Οι πυρκαγιές είναι ακόμη ένας σημαντικός λόγος για την έκλυση CO2, με εκτιμώμενο 2,170 εκατομμύρια μετρικούς τόνους που εκλύθηκαν μόνο το 2023.

Μια νέα μελέτη έχει βρει ότι οι εκπομπές CO2 από πυρκαγιές έχουν αυξηθεί πραγματικά κατά 60% παγκοσμίως τα τελευταία 23 χρόνια.

Υπό την ηγεσία του Πανεπιστημίου του Ανατολικού Άνγκλια (UEA), η μελέτη ομαδοποίησε περιοχές του κόσμου σε ‘πυρώματα’, που είναι περιοχές όπου τα πρότυπα των δασικών πυρκαγιών επηρεάζονται από παρόμοιους κλιματικούς, ανθρώπινους και περιβαλλοντικούς παράγοντες.

Με αυτό, η μελέτη εξέτασε τις διαφορές μεταξύ δασικών και μη δασικών πυρκαγιών, που αποκαλύπτουν τους βασικούς παράγοντες που οδηγούν στις πρόσφατες αυξήσεις της δασικής πυρκαγιάς. 

Σύμφωνα με τη μελέτη, η έκλυση CO2 από πυρκαγιές σε ένα από τα μεγαλύτερα πυρώματα σχεδόν τριπλασιάστηκε μεταξύ 2001 και 2023. Αυτά τα πυρώματα, που καλύπτουν τα βόρεια δασικά οικοσυστήματα στην Ευρασία και τη Βόρεια Αμερική, έχουν einige από τα πιο κλιματικά ευαίσθητα βόρεια δασικά οικοσυστήματα.

Σημαντικές αυξήσεις έχουν观察θεί σε ευρύτερη κλίμακα σε εξωτροπικά δάση, που αντιστοιχούν σε επιπλέον μισό δισεκατομμύριο τόνους διοξειδίου του ανθρακα κάθε χρόνο. Το επίκεντρο των εκπομπών CO2 μετακινείται επίσης προς τα εξωτροπικά, μακριά από τα τροπικά δάση.

Η αύξηση των εκπομπών σχετίζεται με την αύξηση του καιρού που ευνοεί τις πυρκαγιές, όπως οι ζεστοί και ξηροί καιρoί που παρατηρούνται κατά τη διάρκεια των θερμικών κυμάτων και των ξηρασιών. Επιπλέον, η αύξηση των ρυθμών δασικής ανάπτυξης έχει οδηγήσει σε περισσότερα φυτικά καύσιμα. Αυτές οι τάσεις υποστηρίζονται από την αύξηση των θερμοκρασιών στις υψηλές βόρειες πλάτη, που συμβαίνει με διπλάσιο ρυθμό από ό,τι συμβαίνει στο παγκόσμιο επίπεδο. 

Δεν έχει υπάρξει μόνο μια σημαντική αύξηση της έκτασης των δασικών πυρκαγιών, αλλά και η σοβαρότητα τους έχει αυξηθεί τα τελευταία 20 χρόνια. 

Ο ρυθμός καύσης του άνθρακα, που μετρά την σοβαρότητα της πυρκαγιάς με βάση τον άνθρακα που εκλύεται ανά μονάδα της καυτής περιοχής, αυξήθηκε έως και 50% σε δασικά οικοσυστήματα παγκοσμίως κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου. Σύμφωνα με τον κύριο συγγραφέα Δρ Matthew Jones του Tyndall Centre for Climate Change Research στο UEA:

“Οι αυξήσεις και στην έκταση και στη σοβαρότητα των δασικών πυρκαγιών έχουν οδηγήσει σε μια δραματική αύξηση της ποσότητας του άνθρακα που εκλύεται από δασικές πυρκαγιές παγκοσμίως. Εκπληκτικές μετατοπίσεις στη γεωγραφία των πυρκαγιών είναι επίσης σε εξέλιξη, και αυτές εξηγούνται πρωτίστως από τις αυξανόμενες επιπτώσεις της κλιματικής αλλαγής στα δασικά οικοσυστήματα του κόσμου.”

Η Επίπτωση των Πυρκαγιών στις Προσπάθειες Αποθήκευσης Ανθρακα

Επιστήμονες από όλο τον κόσμο συνεργάστηκαν για τη νέα μελέτη και προειδοποιούν ότι για να αποφευχθεί η συνεχής αύξηση των δασικών πυρκαγιών, πρέπει να αντιμετωπιστούν οι κύριοι λόγοι της κλιματικής αλλαγής.

“Για να προστατεύσουμε τα κρίσιμα δασικά οικοσυστήματα από την επιταχυνόμενη απειλή των πυρκαγιών, πρέπει να διατηρήσουμε τη θερμοκρασία του πλανήτη σε χαμηλά επίπεδα, και αυτό υπογραμμίζει почему είναι τόσο σημαντικό να κάνουμε γρήγορη πρόοδο προς τις μηδενικές εκπομπές.”

– Δρ. Jones, ένας NERC Independent Research Fellow

Τα δάση themselves παίζουν ένα κρίσιμο ρόλο στην επίτευξη των διεθνών στόχων για το κλίμα. Αυτά, μετά όλα, βοηθούν στην απομάκρυνση του CO2 από την ατμόσφαιρα δρώντας ως αποθήκες άνθρακα.

Ο τρόπος που λειτουργεί είναι ότι τα δάση απορροφούν διοξείδιο του ανθρακα από την ατμόσφαιρα και το αποθηκεύουν στη μορφή βιομάζας, νεκρού ξύλου, φυτικού υλικού και εδαφών, που ονομάζεται αποθήκευση άνθρακα, και μειώνει τους ρυθμούς της παγκόσμιας θέρμανσης. 

Ως这样的, οι κυβερνήσεις σε όλο τον κόσμο έχουν εισαγάγει προγράμματα αναδασώσεων και δασοποιήσεων για να αντισταθμίσουν τις ανθρώπινες εκπομπές CO2, ιδιαίτερα από τομείς όπως η αεροπορία και κάποιοι άλλοι βιομηχανικοί τομείς. Η επιτυχία αυτών των προγραμμάτων, ωστόσο, εξαρτάται από την μόνιμη αποθήκευση άνθρακα στα δάση, που απειλούνται από τις πυρκαγιές.  

Με τις εξωτροπικές πυρκαγιές να εκλύουν ήδη μισό δισεκατομμύριο τόνους περισσότερο CO2 από ό,τι το 2001 και την μακροπρόθεσμη επίδραση που εξαρτάται από την ανάκαμψη των δασών, οι περισσότερες εκτεταμένες και σοβαρές δασικές πυρκαγιές θέτουν τις εκπομπές εκτός ισορροπίας με τον άνθρακα που αποθηκεύεται από την ανάκαμψη μετά την πυρκαγιά. Ο Δρ. Jones είπε:

“Η απότομη τάση προς μεγαλύτερες εκπομπές δασικών πυρκαγιών είναι μια προειδοποίηση για την αυξανόμενη ευαλωτότητα των δασών, και αποτελεί μια σημαντική πρόκληση για τους παγκόσμιους στόχους για την αντιμετώπιση της κλιματικής αλλαγής.”

Επιπλέον, ανέφερε ότι μετά από σοβαρές πυρκαγιές, τα δάση γνωρίζονται για την κακή τους ανάκαμψη. Ως εκ τούτου, πρέπει να δώσουμε μεγάλη προσοχή σε πώς η αύξηση της σοβαρότητας των πυρκαγιών θα επηρεάσει την αποθήκευση άνθρακα στα δάση τα επόμενα χρόνια. 

Εν μέσω όλων αυτών, έχει μειωθεί η καύση των τροπικών πυρόπλευρων σαβανών, με προηγούμενες μελέτες που δείχνουν ότι, από το 2001, η περιοχή που κάηκε από δασικές και μη δασικές πυρκαγιές έχει μειωθεί κατά ένα τέταρτο παγκοσμίως. 

Ενάντια σε αυτό το υπόβαθρο της μειωμένης καύσης σε λιβάδια και σαβάνες, η μελέτη, σύμφωνα με τους συγγραφείς της, δείχνει ότι οι πυρκαγιές συνεχίζουν να συμβαίνουν με αυξανόμενη συχνότητα όπου δεν πρέπει, δηλαδή τα δάση έχουν κρύψει την αύξηση της έκτασης και της σοβαρότητας των δασικών πυρκαγιών. Αυτό представляет “τη μεγαλύτερη απειλή για τους ανθρώπους και για τις ζωτικές αποθήκες άνθρακα,” είπε ο Δρ. Jones.

Αυτές οι νέες παρατηρήσεις αποκρυπτογραφήθηκαν με τη βοήθεια της μηχανικής μάθησης, η οποία χρησιμοποιήθηκε για να ομαδοποιήσει τις δασικές οικοσυστημικές περιοχές σε 12 διαφορετικά πυρώματα. Όπως αναφέραμε πρόσφατα, τα μοντέλα AI χρησιμοποιούνται εκτενώς για την έγκαιρη ανίχνευση των πυρκαγιών. Το τεράστιο δυναμικό της AI και της μηχανικής μάθησης ενισχύεται από την αυξανόμενη βάση δεδομένων πυρκαγιών.  

Στη νέα μελέτη, η χρήση της μηχανικής μάθησης για την ομαδοποίηση επέτρεψε στους επιστήμονες να απομονώσουν τις επιπτώσεις της κλιματικής αλλαγής από άλλους παράγοντες όπως η παραγωγικότητα της βλάστησης και η χρήση γης. Επιπλέον, η κατανόηση του τι προκαλεί τις πυρκαγιές σε αυτά τα διαφορετικά πυρώματα είναι σημαντική για την ανάπτυξη αποτελεσματικών στρατηγικών για την πρόβλεψη και την μείωση των πυρκαγιών και την προστασία των δασών.

“Η σημαντική χρηματοδότηση απαιτείται για να υποστηρίξει στρατηγικά προγράμματα δασικής διαχείρισης, συμμετοχής των ενδιαφερόμενων και δημόσιας εκπαίδευσης, όλα τα οποία αντιπροσωπεύουν μια σημαντική μετατόπιση της στρατηγικής διαχείρισης πυρκαγιών από κυρίως αντιδραστική σε ολοένα και πιο προληπτική.”

– Δρ. Jones

Μια Νέα Πύλη: Μετατρέποντας το CO2 σε Τιμώμενα Προϊόντα

Εκτός από την αποθήκευση άνθρακα, ένας άλλος τρόπος για να μειωθούν οι αρνητικές επιπτώσεις του CO2 στο περιβάλλον είναι η μετατροπή του σε χρήσιμα προϊόντα. 

Αυτό περιλαμβάνει την μετατροπή του CO2 σε νανοϊνές άνθρακα, οι οποίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την ενίσχυση των υλικών κατασκευής, την kết合σή του με υδρογόνο για την παραγωγή καυσίμων όπως μεθάνιο, μεθανόλη, βενζίνη και αεροπορικά καύσιμα, και την μετατροπή του CO2 σε χημικά και άλλα προϊόντα όπως φαρμακευτικά προϊόντα, προσθήκες τροφίμων και αρώματα. 

Μια νέα μελέτη ενίσχυσε αυτή τη μετατροπή του CO2 σε χρήσιμα προϊόντα, συνδυάζοντας ορατό φως και ηλεκτροχημεία.

Κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας, η ομάδα ανακάλυψε μια έκπληξη ότι το ορατό φως βελτίωσε σημαντικά την επιλεκτικότητα, η οποία είναι μια σημαντική χημική ιδιότητα. Αυτή η ανακάλυψη ανοίγει νέους δρόμους για τη μετατροπή του CO2, καθώς και για πολλές άλλες χημικές αντιδράσεις που χρησιμοποιούνται στην έρευνα καταλυτών και στη χημική παραγωγή. 

Η μετατροπή του CO2 σε φορέα ενέργειας αντί για απόβλητο ή εκπομπή μέσω ανακύκλωσης είναι ένας εξαιρετικός τρόπος για να μειωθεί η κλιματική αλλαγή. Εδώ, το διοξείδιο του ανθρακα μετατρέπεται σε καύσιμα, χημικά, υλικά και θερμική ενέργεια. 

Ορισμένοι τρόποι με τους οποίους το CO2 ανακυκλώνεται περιλαμβάνουν την τεχνητή φωτοσύνθεση, μια διαδικασία κατά την οποία η ηλιακή ενέργεια χρησιμοποιείται για την σύνθεση χημικών χρησιμοποιώντας το CO2 ως πρώτη ύλη. Στη συνέχεια, υπάρχει η ηλεκτροχημική μετατροπή, όπου η ηλεκτρική ενέργεια χρησιμοποιείται για τη μετατροπή του CO2 σε χημικά όπως αιθανόλη, οξικό οξύ ή μορμολικό οξύ. 

Η νέα μελέτη χρησιμοποίησε την ηλεκτροχημική μείωση για να ανακυκλώσει το διοξείδιο του ανθρακα σε χρήσιμα προϊόντα. Σε αυτή τη διαδικασία, ο Prashant Jain, καθηγητής χημείας στο Πανεπιστήμιο του Ιλινόις Urbana-Champaign, εξήγησε ότι ένα ρεύμα αερίου CO2 διατρέχει μια κυψέλη ηλεκτρόλυσης που διασπά το διοξείδιο του ανθρακα και το νερό σε τοξικό μονοξείδιο του άνθρακα (CO) και υδρογόνο. Αυτά τα νέα αέρια μπορούν στη συνέχεια να χρησιμοποιηθούν για τη δημιουργία νέων υδρογονανθρακικών προϊόντων.

Ωστόσο, ο Jain σημειώνει ότι αυτή η αντίδραση είναι相当 αργή, και χρειαζόμαστε μεγάλες ηλεκτρόδους για αυτή τη διαδικασία. Αυτές οι ηλεκτρόδους περιέχουν πολλά ακριβά καταλυτικά υλικά όπως χαλκός ή χρυσός.

Δεδομένων αυτών των εμποδίων, ο Jan, μαζί με τον πρώην φοιτητή του Francis Alcorn, αναζήτησε τρόπους για να επιταχύνει τη διαδικασία που θα απαιτούσε λιγότερο καταλυτικό υλικό, καθιστώντας το “μια πιο βιώσιμη επιλογή για τη βιομηχανία εναλλακτικών καυσίμων”.

Χρήση Ορατού Φωτός για την Ενίσχυση της Απόδοσης Μετατροπής του CO2

Σύμφωνα με τη νέα μέθοδο, η ομάδα συνδύασε ορατό φως με ηλεκτρόδους που καλύπτονται με εξαιρετικά μικρά σωματίδια χαλκού-χρυσού. Αυτό επιτρέπει την μείωση του CO2 με αυξημένο ρυθμό και πιο ελεγχόμενη επιλεκτικότητα σε σύγκριση με τις συμβατικές μεθόδους. 

Ο Jain εξήγησε ότι:

“(Οι νέες ηλεκτρόδους) λειτουργούν σαν μικρά κεραίες που αναζητούν φωτόνια στο φάσμα του ορατού φωτός και τα συνδυάζουν με το χημικό μονοπάτι της αντίδρασης.”

Για να βελτιώσουν την αγωγιμότητα αυτών των ηλεκτροδίων, η ομάδα τους έβαλε σε eine λύση νερού, CO2 και ηλεκτρολύτη. Στη συνέχεια, εφαρμόστηκε μια τάση στους ηλεκτροδούς ενώ η επιφάνειά τους ήταν φωτισμένη με ένα λέιζερ ορατού φωτός.

Αυτό οδήγησε σε μια αντίδραση που παράγει γρήγορα υδρογόνο από την διάσπαση των μορίων του νερού και μονοξείδιο του άνθρακα, που προέρχεται από την διάσπαση του διοξειδίου του άνθρακα.

Ενώ η ομάδα ήταν “πολύ ενθουσιασμένη” να δει το άλμα στην παραγωγικότητα με τη χρήση ορατού φωτός, αυτό που δεν ήταν αναμενόμενο ήταν το ορατό φως να έχει τόσο μεγάλη επίδραση στην χημική επιλεκτικότητα — η οποία ο Jain είπε “είναι η σημαντική πρόοδος εδώ.”

Τώρα, τι είναι αυτή η επιλεκτικότητα εδώ; Καλά, στην καταλυτική αντίδραση, η χημική επιλεκτικότητα είναι η ικανότητα μιας χημικής αντίδρασης να ευνοεί ένα είδος μορίου ή μονοπατιού έναντι ενός άλλου. 

Σε αυτή τη μελέτη, μια αντίδραση διάσπασης νερού που σχηματίζει αέριο υδρογόνο βρέθηκε να βελτιώνεται σελεκτικά χρησιμοποιώντας φως. Ο Jain είπε:

“Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι το ορατό φως προσφέρει μια μοναδική ευκαιρία να ρυθμίσει το λόγο του μονοξειδίου του άνθρακα προς το αέριο υδρογόνο που παράγεται, ένας κρίσιμος παράγοντας για την βιομηχανική παραγωγή συνθετικού αερίου. Αυτή η ανακάλυψη ανοίγει τον δρόμο για ένα πιο βιώσιμο και αποτελεσματικό ενεργειακό μέλλον.”

Είπε επίσης ότι η χρήση φωτός για την ενίσχυση των χημικών αντιδράσεων δεν είναι χωρίς контροβερσία, δεδομένου ότι το φως φέρνει επίσης θερμότητα μαζί του. Έτσι, αυτό απαιτούσε από την ομάδα να τρέξει πειράματα ελέγχου και να κάνει προσεκτικές μετρήσεις για να καθορίσει αν ήταν η θερμική επίδραση του φωτός που προκάλεσε ταχύτερες ρυθμούς αντίδρασης και επιλεκτικότητα.

Αυτό που έκανε η ομάδα για να καθορίσει αυτό ήταν να τρέξει πειράματα με το λέιζερ και χωρίς αυτό στην ίδια θερμοκρασία που παράγεται από την φωτοθέρμανση. Αυτό τους βοήθησε να αποκλείσουν τη θερμότητα ως τον υπεύθυνο παράγοντα.

Η ομάδα βρήκε ότι ήταν, στην πραγματικότητα, ηλεκτρικά πεδία και κατευθυνόμενη ροή φορτίου που δημιουργήθηκαν από την φωτοθέρμανση που ήταν υπεύθυνα για την αύξηση της παραγωγικότητας και της βελτιωμένης επιλεκτικότητας της διάσπασης του νερού.

Τώρα, προχωρώντας μπροστά, η ομάδα έχει ακόμη προκλήσεις να υπερβεί. Αυτό περιλαμβάνει την επαναχρησιμοποίηση των ηλεκτροδίων που βασίζονται σε νανοσωματίδια, τα οποία θα οδηγήσουν σε υποβάθμιση με τον καιρό, ιδιαίτερα όταν η μέθοδος κλιμακώνεται για βιομηχανική εφαρμογή.

Η ομάδα πρέπει επίσης να διεξάγει περαιτέρω έρευνα και να βελτιώνει την συνολική ενεργειακή απόδοση της διαδικασίας και τη διαχείριση του φωτός.

“(Συνολικά) αυτό που βρήκαμε με αυτή τη μελέτη παρουσιάζει εντελώς νέους τρόπους σκέψης για την ηλεκτροχημεία και την καταλυτική αντίδραση.”

– Jain

Αφού όλα, η χρήση του φωτός βελτίωσε την δραστικότητα του καταλύτη, αλλά πιο σημαντικά, έχει επιτρέψει την αλλαγή της επιλεκτικότητας, η οποία ανοίγει νέους χημικούς μονοπατιούς που δημιουργούν διαφορετικά προϊόντα. Αυτό σημαίνει ότι η μείωση του CO2 ή η διάσπαση του νερού είναι μόνο η αρχή. Η μέθοδος μπορεί να εφαρμοστεί σε πολλές άλλες καταλυτικές αντιδράσεις που είναι σημαντικές για τη χημική βιομηχανία.