Å takle karbondioksidbekymringer med nyoppdagede fotokatalytiske materialer

Den globale mengden av karbondioksidutslipp er den største utfordringen vi står overfor i dag. Disse utslippene har spesielt vokst til å bli eksistens-truende de siste 75 årene. 

I 1950, verden utslippet 6 milliarder tonn karbondioksid. Innen 1990 hadde den økt til 20 milliarder tonn. Og nå er den mer enn 35 milliarder tonn. USA alene har utslippet rundt 400 milliarder tonn karbondioksid siden 1751, nesten en fjerdedel av alle utslipp til dags dato. Siden 1751 har den samlede globale mengden av karbondioksidutslipp vært 1,5 billioner tonn. 

Karbondioksid kan komme fra mange kilder, inkludert forbrenning av fossile brensler, skogbranner, vulkanske utbrudd osv. Det er skadelig fordi det er en varmelukkende gass. Karbondioksid og andre klimagasser danner et teppe eller en kappe som fanger varmen som planeten ellers ville ha strålt ut i rommet. 

Det som er enda mer bekymringsfullt er at karbondioksidens varmelukkende evner er enorme, og en liten mengde atmosfærisk karbondioksid kan fange enorme mengder varme. Den mer enn 35 milliarder tonn utslippsfiguren vi diskuterte er resultatet av den enkle tilstedeværelsen av karbondioksid på nivået av 0.04% av atmosfæren. 

Når man forklarer hvor ubetydelig tilstedeværelsen av karbondioksid i atmosfæren er, trakk Jason Smerdon, en klimavitenskapsmann ved Columbia Universitys Lamont-Doherty Earth Observatory, følgende analogi: 

“Hvis noen på min størrelse drikker to øl, vil blodalkoholnivået mitt være omtrent 0,04 prosent.” 

Han påpeker imidlertid at selv en liten mengde av et stoff kan medføre ugunstige konsekvenser som er utenfor reparasjon. Han sier videre: 

“Det kreves ikke så mye cyanid for å forgifte en person. Det handler om hvordan akkurat det stoffet samhandler med det større systemet og hva det gjør for å påvirke det systemet.”

Derfor er varmelukkende egenskaper ved karbondioksid og andre klimagasser en trussel som må håndteres med største hast og oppriktighet. 

Climate and Clean Air Coalition, et initiativ samlet av UNEP, innrømmer denne hastigheten i de mest presise ordene mulig. De sier: 

“Vi har i ferd med å gå tom for tid for å holde oppvarmingen under 2 grader Celsius.”

Ifølge Durwood Zaelke, styreleder og president for Institute for Governance and International Development (IGSD):

“Vi kan ikke løse et raskt bevegende problem som klimaendringer med langsomme løsninger. Hastighet er vårt nye mål – hastigheten for å kutte SLCP-er innen 2030, oppnå ren energi og netto nullutslipp innen 2050, og fjerne en økende andel av karbondioksidet vi allerede har sluppet ut.”

Zaelke kvantifiserer målet ytterligere ved å si:  

“Å kutte SLCP-er kan unngå 0,6 grader oppvarming innen midten av århundret og har en viktig rolle å spille hvis vi vil holde oppvarmingen til 1,5 grader.”

Her står SLCP-er for kortlevde klimaforurensninger. Å takle karbondioksidbekymringer er dagens nødvendighet. Å imøtekomme den enestående hastigheten vil ikke være mulig uten innovative løsninger. I de følgende segmentene diskuterer vi slike innovative metoder som nylig har dukket opp. 

Forskere viser vei til å omdanne karbondioksid til bærekraftig drivstoff

Et internasjonalt forskerteam, bestående av representanter fra University of Nottinghams skole for kjemi, University of Birmingham, University of Queensland og University of Ulm, har designet et materiale som kan sees på som en betydningsfull og avgjørende faktor i produksjonen av nye grønne drivstoff.

Mer om materialet

Materialet er avledet fra kobber festet på nanokristallinsk karbognitrid. Kobberatomene hviler innenfor den nanokristallinske strukturen, noe som gjør at elektroner kan bevege seg fra karbognitrid til karbondioksid. Denne bevegelsen er avgjørende for å produsere metanol fra karbondioksid under sollys. 

Hvis den lykkes i å oppnå skala, vil prosessen løse ett av de mest kritiske problemene i å håndtere truslene som karbondioksid utgjør. 

Karbondioksid, den mest betydningsfulle drivkraften bak global oppvarming, kan omdannes til nyttige produkter. Imidlertid har disse konverteringsprosessene hittil krevd at vi er avhengige av hydrogen fra fossile brensler. Solenergi brukes for første gang. 

Forskningen bekrefter behovet for å utvikle alternative metoder, basert på foto- og elektrokatalyse, prosesser som effektivt utnytter bærekraftig solenergi og vannets overflod. 

Ifølge Dr. Madasamy Thangamuthu, en av forskningsfellows ved Skole for kjemi: 

“Det finnes et stort utvalg av ulike materialer som brukes i fotokatalyse. Det er viktig at fotokatalysatoren absorberer lys og separerer ladningsbærere med høy effektivitet. I vår tilnærming kontrollerer vi materialet på nanoskala. Vi utviklet en ny form for karbognitrid med krystallinske nanoskaladomener som tillater effektiv interaksjon med lys samt tilstrekkelig ladningsseparasjon.”

Klikk her for en liste over de beste karbonfangstaksjene.

Mer om prosessen

Oppvarmingsprosessen som ble brukt i forskningen sikret at karbognitrid oppnådde nødvendig krystallinitet, avgjørende for å maksimere materialets potensial for fotokatalyse. Prosessen involverte også magnetronsputtering for å avsette kobber uten bruk av løsningsmidler. Fraværet av løsningsmidler tillot intim kontakt mellom halvleder- og metallatomer. 

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

“Selv uten kobber er den nye formen for karbognitrid 44 ganger mer aktiv enn tradisjonell karbognitrid. Imidlertid, til vår overraskelse, fyrdoblet tilsetning av kun 1 mg kobber per 1 g karbognitrid denne effektiviteten. Viktigst av alt, selektiviteten endret seg fra metan, en annen klimagass, til metanol, et verdifullt grønt drivstoff.”

Alt i alt var eksperimentet banebrytende ved at det brukte katalysatorer som kun bestod av bærekraftige elementer. Ifølge professor Andrei Khlobystov ved Skole for kjemi:

“Karbondioksidverdsetting er nøkkelen til å oppnå Storbritannias netto-null-ambisjon. Det er avgjørende viktig å sikre bærekraften til våre katalysatormaterialer for denne viktige reaksjonen. En stor fordel med den nye katalysatoren er at den består av bærekraftige elementer – karbon, nitrogen og kobber – som alle er svært rikelig på planeten vår.”

Selskaper over hele verden jobber med å omdanne karbon til grønn energi. Noen av disse selskapene har gitt oss virkelig spennende, innovative og effektive løsninger. 

#1. Climeworks

Climeworks er kjent for sine direkte luftfangst- og lagringsanlegg, som fjerner karbondioksid fra luften. I tillegg til å drive sine karbonfjerningsanlegg, samarbeider Climeworks også med andre for å sikre en full portefølje av høykvalitetsløsninger for den globale netto-nullstrategien.

Selskapet er aktivt over hele verden og tilbyr ulike løsninger tilpasset spesifikke behov. For eksempel, på Island, transporterer selskapet, med hjelp fra lagringspartneren Carbfix, karbondioksid dypt under jordoverflaten og får det til å reagere med basaltstein gjennom en naturlig prosess slik at den skadelige utslippet kan omdannes til stein og forbli trygt innkapslet i over 10 000 år. 

I USA har Climeworks kunngjort tre prosjekter under United States Department of Energy sitt Regional DAC Hubs-program. Project Cypress, som Climeworks har vært en utviklingspartner for, vil implementere direkte luftfangstmetoden for å fjerne overskudd av karbondioksid (CO2) fra atmosfæren for å forhindre forverring av ekstreme værhendelser, som orkaner, tørke og flom, på lang sikt. 

I Zürich, Sveits, har Climeworks utviklet et anlegg som hjelper med å produsere karbonnøytrale grønnsaker. Dens direkte luftfangstanlegg pumper gassen inn i drivhus, øker plantens fotosyntese og øker avkastningen med opptil 20%. Climeworks sier at de vil trekke ut rundt 900 tonn CO2 per år fra luften.

Ifølge Matt Lucas fra Centre for Carbon Removal:

“Teknologier for å fange CO2 fra luften, som Climeworks’ enheter, har potensialet for den typen kraftige prisnedganger som vi har sett fra sol, vind og batterier, som også er fabrikkproduserte produkter.”

Den 9. april 2024 mottok Climeworks 2,2 millioner CHF (26 mio NOK) i norsk finansiering fra Enova, statlig foretak eid av den norske regjeringens Klima- og miljødepartement. 

For to år siden hadde Climeworks signert en egenkapitalrunde på CHF 600 millioner (USD 650 millioner). Listen over investorer inkluderte flere kjente og store institusjonelle teknologi- og infrastrukturinvestorer globalt.

#2. Heirloom Carbon

Heirloom Carbon har bygget det første kommersielle direkte luftfangstanlegget i USA. Anlegget drives fullt ut av fornybar energi, og fjerner permanent karbondioksid fra atmosfæren. 

Det utnytter prosessen med karbonmineralisering, hvor bergarter som kalkstein – kjent som naturlige karbonvasker – fanger store mengder CO2 over tid. Som en av de mest forekommende bergartene på planeten, kan kalkstein fange enorme mengder CO2 fra luften over årene. Heirloom Carbons teknologi fremskynder denne prosessen til kun noen dager. 

Heirloom sin teknologi har flere fordeler. Den fjerner permanent karbondioksid, og sikrer at gassen forblir trygt lagret under jorden for alltid. Heirloom sine tjenester har også et minimalt miljøavtrykk, ettersom deres anlegg kan fjerne 50 tonn CO2 per kvadratmeter og kan plasseres på ikke-jordbruksland.

Med tiden tror Heirloom at deres tjenester vil bli optimalt kostnadseffektive, med karbonfjerningskreditter som koster mindre enn 100 USD per tonn karbondioksid innen 2035. 

I april 2022, Heirloom fikk 1 million USD som tilskudd fra Mask Foundation og XPRIZE. De hentet 53 millioner USD i serie A fra AENU og et dusin andre investorer 17. mars 2022. I juni 2021 mottok Heirloom et tilskudd på 255 737 USD fra National Science Foundation. 

Fokus på en helhetlig plan for å takle karbonutslipp

En slik plan ser på den samlede livssyklusen til karbonutslipp og planlegger å takle den overalt på den mest forsiktige, stedoptimaliserte og effektive måten som er mulig. For eksempel hjelper løsninger som Climate TRACE med å identifisere globale utslippsvarmepunkter ved hjelp av satellitter og maskinlæring. Selskaper som CarbonChain, på den annen side, bidrar til å redusere utslipp i forsyningskjeden ved å hjelpe selskaper med å profilere sine nåværende utslipp og finne måter å redusere dem gjennom bruk av kunstig intelligens. Å gjenkjenne energilekkasjer er også en del av denne helhetlige planen. 

Når identifiseringsprosessen er fullført, finnes det tre mulige måter å takle karbondioksidbekymringer på. Den første fokuserer på å stoppe ytterligere klimaskade fra karbondioksidutslipp. Den andre handler om å øke energieffektiviteten slik at vi kan redusere vår avhengighet av fossile brensler. Den tredje, som også er den mest ambisiøse av de tre, forsøker å reversere skaden som allerede har skjedd. 

Når det gjelder konkrete løsninger, har mange ideer utviklet seg. Forskere har foreslått å dyrke planter eller tang som kan absorbere CO2 fra atmosfæren mens de vokser, og samtidig fungere som en fornybar energikilde. Mer banebrytende og radikalt innovative eksperimenter involverer for eksempel en ny polymer som kan samle solenergi. Disse polymerene kan deretter påføres tekstiler slik at klærne våre blir doble som grønne og mobile energikilder. 

Gjennom årene har mange fristende anvendelser og løsninger blitt utviklet innen området skade-reversering. For eksempel jobber forskere med karbonbasert betong som frigjør CO2 fra industriutslipp inn i syntetisk kalkstein, en nøkkelingrediens i betong. I denne sammenheng må vi huske at produksjon av betong står for 4 % til 8 % av verdens CO2-utslipp. 

Arbeidet pågår også med å utvikle karbonspisende avlinger, karbonlagrende gjødsel, og mye mer. 

Med alle disse innovasjonene må vi sikre en netto 55 % eller større reduksjon under 1990-nivåene innen 2030 og et klima-nøytralitetsmål innen 2050. Selv om mye mer må gjøres innen overgangen fra fossilt brensel til ren, fornybar energi, må globalt samarbeid også være effektivt i å stoppe avskoging, bruke land på en bærekraftig måte, og gjenopprette naturen. 

Vedvarende innsats vil etter hvert hjelpe oss med å balansere mengden klimagasser som slippes ut i atmosfæren med fangst og lagring av disse gassene i våre skoger, hav og jord.