Hiilidioksidin haasteiden ratkaiseminen äskettäin löydetyillä fotokatalyyttisilla materiaaleilla

Maailmanlaajuinen hiilidioksidipäästöjen määrä on vakavin haaste, jonka kohtaamme tänään. Nämä päästöt ovat erityisesti kasvaneet olemassaololle uhkaaviksi viimeisen 75 vuoden aikana. 

Vuonna 1950 maailma päästi 6 miljardia tonnia hiilidioksidia. Vuoteen 1990 mennessä se oli noussut 20 miljardiin tonniin. Ja nyt se on yli 35 miljardia tonnia. Yhdysvallat on yksinään päättänyt noin 400 miljardia tonnia hiilidioksidia vuodesta 1751, lähes neljännes kaikista tähän mennessä syntyneistä päästöistä. Vuodesta 1751 lähtien maailmanlaajuinen kumulatiivinen hiilidioksidipäästöjen määrä on ollut 1,5 biljoonaa tonnia. 

Hiilidioksidia voi syntyä monista lähteistä, kuten fossiilisten polttoaineiden polttamisesta, metsäpaloista, tulivuorenpurkauksista jne. Se on haitallista, koska se on lämmön ansaitseva kaasu. Hiilidioksidi ja muut kasvihuonekaasut muodostavat peitteen tai suojuksen, joka ansaitsee lämpöä, jonka planeetta muuten olisi säteillyt avaruuteen. 

Mikä on vielä huolestuttavampaa, on että hiilidioksidin lämmön ansaitsevat ominaisuudet ovat valtavat, ja pieni määrä ilmakehän hiilidioksidia voi ansaita valtavan määrän lämpöä. Yli 35 miljardin tonnin päästömäärä, josta puhuimme, on seurausta pelkästä hiilidioksidin läsnäolosta, joka kattaa 0,04 % ilmakehästä. 

Kun selitetään, kuinka vähäinen hiilidioksidin läsnäolo ilmakehässä on, Columbia Universityn Lamont-Doherty Earth Observatoryn ilmastotutkija Jason Smerdon teki seuraavan vertauksen: 

“Jos joku minun kokoistani juo kaksi olutta, veren alkoholipitoisuuteni on noin 0,04 prosenttia.” 

Kuitenkin hän jatkaa muistuttaen, että jopa pieni määrä aineesta voi aiheuttaa epätoivottuja seurauksia, jotka ovat korjaamattomia. Hän jatkaa sanoen: 

“Ei tarvita paljon syanidia ihmisen myrkyttämiseen. Kyse on siitä, miten kyseinen aine vuorovaikuttaa suuremman järjestelmän kanssa ja mitä se tekee vaikuttaakseen siihen.”

Siksi hiilidioksidin ja muiden kasvihuonekaasujen lämmön ansaitsevat ominaisuudet ovat uhka, joka on käsiteltävä äärimmäisellä kiireellä ja vilpittömyydellä. 

Ilmastojen ja puhtaan ilman liitto, UNEP:n kokoama aloite, myöntää tämän kiireellisyyden mahdollisimman tarkasti. Se sanoo: 

“Meiltä loppuu aika pitää lämpeneminen alle 2 °C:n.”

Durwood Zaelken, komitean puheenjohtajan ja Institute for Governance and International Development (IGSD) -presidentin, mukaan: 

“Emme voi ratkaista nopeaa ongelmaa, kuten ilmastonmuutosta, hitailla ratkaisuilla. Nopeus on uusi mittarimme – nopeus, jolla leikataan lyhytikäisiä ilmaston saasteita (SLCP) vuoteen 2030 mennessä, saavutetaan puhdas energia ja nettonollapäästöt vuoteen 2050 mennessä, ja poistetaan kasvava osuus jo päästetystä hiilidioksidista.”

Zaelke tarkentaa tavoitetta sanomalla:  

“Lyhytikäisten ilmastosaasteiden leikkaaminen voi estää 0,6 °C:n lämpenemisen puolivälinä ja sillä on merkittävä rooli, jos haluamme pitää lämpenemisen 1,5 °C:n tasolla.”

Tässä SLCP:t tarkoittavat lyhytikäisiä ilmaston saasteita. Hiilidioksidin haasteiden käsittely on tämän hetken tarve. Ennennäkemättömään kiireellisyyteen vastaaminen ei ole mahdollista ilman innovatiivisia ratkaisuja. Seuraavissa osioissa käsittelemme tällaisia äskettäin esiin nousseita innovatiivisia tapoja. 

Tutkijat esittelevät tavan muuttaa hiilidioksidi kestävään polttoaineeseen

Kansainvälinen tutkijaryhmä, johon kuuluvat edustajat Nottinghamin yliopiston kemian laitokselta, Birminghamin yliopistolta, Queenslandin yliopistolta ja Ulmin yliopistolta, on suunnitellut materiaalin, joka voidaan nähdä merkittävänä ja ratkaisevana askeleena uusien vihreiden polttoaineiden tuotannossa.

Lisätietoa materiaalista

Materiaali on peräisin kuparista, joka on ankkuroitu nanokiteiseen hiilidiinitriittiin. Kupariatomit sijaitsevat nanokiteisessä rakenteessa, mikä mahdollistaa elektronien siirtymisen hiilidiinitriitistä hiilidioksidiin. Tämä liike on keskeinen metanolin tuottamisessa hiilidioksidista aurinkoenergiaa hyödyntäen. 

Jos se onnistuu mittakaavassa, menettelyratkaisu ratkaisee yhden tärkeimmistä ongelmista hiilidioksidin aiheuttamien uhkien torjumisessa. 

Hiilidioksidi, merkittävin ilmaston lämpenemisen aiheuttaja, voidaan muuntaa hyödyllisiksi tuotteiksi. Kuitenkin tähän mennessä nämä muuntoprosessit ovat vaatineet fossiilisista polttoaineista peräisin olevan vedyn käyttöä. Aurinkoenergiaa käytetään ensimmäistä kertaa. 

Tutkimus vahvistaa tarpeen kehittää vaihtoehtoisia menetelmiä, jotka perustuvat foto- ja elektrokatalyysiin, prosesseihin, jotka hyödyntävät tehokkaasti kestävää aurinkoenergiaa ja veden runsautta. 

Dr. Madasamy Thangamuthyn, yksi kemian laitoksen tutkimusavustajista, mukaan: 

“Fotokatalyysissa käytetään laajaa valikoimaa erilaisia materiaaleja. On tärkeää, että fotokatalyytti absorboi valoa ja erottaa varauskantajat korkealla tehokkuudella. Lähestymistavassamme hallitsemme materiaalia nanoskaalassa. Kehitimme uudenlaisen hiilidiinitriitin, jossa on kiteisiä nanoskaalan alueita, jotka mahdollistavat tehokkaan vuorovaikutuksen valon kanssa sekä riittävän varauksen erottelun.”

Klikkaa tästä saadaksesi luettelon parhaista hiilen talteenotto-osakkeista.

Lisätietoa prosessista

Tutkimuksessa käytetty lämmitysprosessi varmisti, että hiilidiinitriitti saavutettiin vaadittu kiteisyystaso, mikä on olennaista materiaalin fotokatalyyttisen potentiaalin maksimoimiseksi. Prosessi sisälsi myös magnetron-sputteroinnin kuparin kerrostamiseen ilman liuottimia. Tämä liuottimien puuttuminen mahdollisti tiiviin kosketuksen puolijohde- ja metalliatomien välillä. 

Tara LeMercierin, Nottinghamin yliopiston kemian laitoksen tohtoriopiskelijan, mukaan: 

“Vaikka kuparia ei olekaan, uusi hiilidiinitriitin muoto on 44‑kertaista aktiivisempi kuin perinteinen hiilidiinitriitti. Yllättävänä se, että vain 1 mg kuparin lisääminen per 1 g hiilidiinitriitti nelinkertaisti tämän tehokkuuden. Tärkeintä on, että valikoivuus siirtyi metaanista, toisesta kasvihuonekaasusta, metanoliin, arvokkaaseen vihreään polttoaineeseen.”

Kaiken kaikkiaan kokeilu oli uraauurtava, koska se käytti katalyyttejä, jotka koostuivat vain kestävästi tuotetuista alkuaineista. Kemian laitoksen professori Andrei Khlobystovin mukaan: 

“Hiilidioksidin arvostus on avain Yhdistyneen kuningaskunnan nettonollatavoitteen saavuttamiseen. On elintärkeää varmistaa katalyyttimateriaalien kestävyys tässä tärkeässä reaktiossa. Uuden katalyytin suuri etu on, että se koostuu kestävistä alkuaineista – hiilestä, typestä ja kuparista – jotka ovat runsaasti saatavilla planeetallamme.”

Yritykset ympäri maailmaa työskentelevät hiilen muuntamiseksi vihreäksi energiaksi. Jotkut näistä yrityksistä ovat tarjonneet meille todella jännittäviä, innovatiivisia ja tehokkaita ratkaisuja. 

#1. Climeworks

Climeworks tunnetaan suoran ilman kaappaus- ja varastointilaitoksistaan, jotka poistavat hiilidioksidia ilmasta. Hiilen poistolaitostensa lisäksi Climeworks tekee yhteistyötä muiden kanssa tarjotakseen täyden portfolion korkealaatuisia ratkaisuja globaalille nettonollastrategialle.

Yritys on toiminnassa ympäri maailmaa ja tarjoaa monipuolisia ratkaisuja, jotka on räätälöity erityistarpeisiin. Esimerkiksi Islannissa yritys, yhteistyössä varastointikumppaninsa Carbfixin kanssa, kuljettaa hiilidioksidia syvälle maanalaisiin kerroksiin ja saa sen reagoimaan basalttikiven kanssa luonnollisen prosessin kautta, jolloin haitallinen päästö muuttuu kiviksi ja pysyy turvallisesti kapseloituna yli 10 000 vuoden ajan. 

Yhdysvalloissa Climeworks on ilmoittanut kolmesta projektista Yhdysvaltain energiaministeriön Regional DAC Hubs -ohjelman alla. Cypress-projekti, jossa Climeworks on kehityskumppani, ottaa käyttöön suoran ilman kaappausmenetelmän ylimääräisen hiilidioksidin (CO2) poistamiseksi ilmakehästä pitkällä aikavälillä estääkseen äärimmäisten sääilmiöiden, kuten hurrikaanien, kuivuuden ja tulvien, pahenemisen.

Zürichissä, Sveitsissä, Climeworks on kehittänyt laitoksen, joka auttaa tuottamaan hiilineutraaleja vihanneksia. Sen suoran ilman kaappauslaitos pumppaa kaasua kasvihuoneisiin, mikä tehostaa kasvien fotosynteesiä ja nostaa satoa jopa 20 %. Climeworks kertoo, että se poistaa noin 900 tonnia CO2:a vuodessa ilmasta.

Matt Lucasin, Center for Carbon Removalin, mukaan: 

“Ilmasta CO2:n kaappaamiseen tarkoitetut teknologiat, kuten Climeworksin yksiköt, voivat kokea samanlaisen jyrkän hintojen laskun kuin aurinko-, tuuli- ja akkuteknologiat, jotka ovat myös tehtaalla valmistettuja tuotteita.”

9. huhtikuuta 2024 Climeworks sai 2,2 miljoonaa CHF (26 miljoonaa NOK) norjalaista rahoitusta Enovalta, Norjan hallituksen ilmasto- ja ympäristöministeriön omistamalta valtionyhtiöltä. 

Kaksi vuotta sitten Climeworks oli allekirjoittanut osakekierroksen, jonka arvo oli 600 miljoonaa CHF (650 miljoonaa USD). Sijoittajalistaan kuului useita tunnettuja ja suuria institutionaalisia teknologi- ja infrastruktuurisijoittajia maailmanlaajuisesti.

#2. Heirloom Carbon

Heirloom Carbon on rakentanut Yhdysvalloissa ensimmäisen kaupallisen suoran ilman kaappauslaitoksen. Laitos toimii täysin uusiutuvalla energialla ja poistaa pysyvästi hiilidioksidia ilmakehästä. 

Se hyödyntää hiilen mineraalisoitumisprosessia, jossa kivet kuten kalkkikivi – luonnolliset hiilikaappimet – sitovat suuria määriä CO2:ta ajan myötä. Kalkkikivi on yksi planeettamme yleisimmistä kivistä, ja se voi kerätä valtavia määriä CO2:a ilmasta vuosien aikana. Heirloom Carbonin teknologia nopeuttaa tätä prosessia muutamaan päivään. 

Heirloomin teknologia tarjoaa useita etuja. Se poistaa hiilidioksidin pysyvästi, varmistaen, että kaasu säilyy turvallisesti maanalaisessa varastossa ikuisesti. Heirloomin palveluilla on myös minimaalinen ympäristöjalanjälki, sillä sen laitokset voivat poistaa 50 tonnia CO2:a neliömetriä kohti ja ne voidaan sijoittaa maatalouskelvottomalle maalle.

Ajan myötä Heirloom uskoo palvelujensa olevan optimaalisesti kustannustehokkaita, ja hiilen poistokrediittien hinta olisi alle 100 USD per tonni hiilidioksidia vuoteen 2035 mennessä. 

Huhtikuussa 2022 Heirloom sai 1 miljoonaa USD apurahana Mask Foundationilta ja XPRIZEstä. Se keräsi 53 miljoonaa USD sarja A -rahoituksena AENU:lta ja kymmeneltä muulta sijoittajalta 17. maaliskuuta 2022. Kesäkuussa 2021 Heirloom sai 255 737 USD:n apurahan Yhdysvaltain kansalliselta tiede- ja teknologiaohjelmalta (National Science Foundation). 

Kattavan hiilidioksidipäästöjen torjuntasuunnitelman keskittyminen

Tällainen suunnitelma tarkastelee hiilidioksidipäästöjen koko elinkaarta ja pyrkii torjumaan ne kaikkialla mahdollisimman harkitulla, paikallisesti optimoidulla ja tehokkaalla tavalla. Esimerkiksi ratkaisut kuten Climate TRACE auttavat tunnistamaan globaaleja päästökuumia satelliittien ja koneoppimisen avulla. Yritykset kuten CarbonChain puolestaan auttavat vähentämään päästöjä toimitusketjussa auttamalla yrityksiä profilioimaan nykyiset päästönsä ja löytämään tapoja vähentää niitä tekoälyn avulla. Energiavuotojen tunnistaminen on myös osa tätä kattavaa suunnitelmaa. 

Kun tunnistusprosessi on valmis, on kolme mahdollista tapaa käsitellä hiilidioksidin haasteita. Ensimmäinen keskittyy estämään lisäilmaston vahinkoa hiilidioksidipäästöistä. Toinen pyrkii lisäämään energiatehokkuutta, jotta voimme vähentää riippuvuuttamme fossiilisista polttoaineista. Kolmas, joka on myös kunnianhimoisin näistä kolmesta, pyrkii kääntämään jo tapahtuneen vahingon.

Mitä tulee konkreettisiin ratkaisuihin, on kehittynyt monia ideoita. Tiedemiehet ovat puolustaneet kasvien tai levien viljelyä, jotka voivat imeä CO2:a ilmakehästä kasvaessaan ja toimia samanaikaisesti uusiutuvana energialähteenä. Vallankumouksellisempia ja radikaalisti innovatiivisia kokeita ovat esimerkiksi uudet polymerit, jotka voivat kerätä aurinkoenergiaa. Nämä polymerit voidaan sitten soveltaa tekstiileihin, jolloin vaatteemme toimivat myös vihreinä ja liikkuvina energialähteinä. 

Vuosien varrella on kehitetty monia houkuttelevia sovelluksia ja ratkaisuja vahinkojen kääntämiseksi. Esimerkiksi tiedemiehet työskentelevät hiilipohjaisen betonin parissa, joka vapauttaa CO2:a teollisuuden savukaasuista synteettiseen kalkkikiveen, joka on betonin keskeinen ainesosa. Tässä yhteydessä on muistettava, että betonin tuotanto vastaa 4 %–8 % maailman CO2-päästöistä. 

Kehitystyötä tehdään myös hiiltä syövien kasvien, hiilen sitovia lannoitteiden ja monien muiden ratkaisujen parissa. 

Kaikkien näiden innovaatioiden avulla meidän on varmistettava vähintään 55 %:n nettomääräinen vähennys vuoden 1990 tasosta vuoteen 2030 mennessä sekä ilmastoneutraaliustavoite vuoteen 2050 mennessä. Vaikka paljon enemmän on tehtävä fossiilisesta energiasta puhtaaseen, uusiutuvaan energiaan siirtymisen alueilla, globaali yhteistyö on myös oltava tehokasta metsäkadon pysäyttämisessä, maata kestävästi käyttäessä ja luonnon palauttamisessa.

Jatkuvat ponnistelut auttavat lopulta tasapainottamaan ilmakehään vapautuneiden kasvihuonekaasujen määrän niiden kaappaamisen ja varastoinnin kanssa metsissämme, merissä ja maaperässä.