Att hantera koldioxidproblem med nyupptäckta fotokatalytiska material

Den globala volymen av koldioxidutsläpp är den allvarligaste utmaningen vi står inför idag. Dessa utsläpp har särskilt under de senaste 75 åren utvecklats till ett existenshotande problem.

1950 världen emitterade 6 miljarder ton koldioxid. År 1990 hade den ökat till 20 miljarder ton. Och nu är den över 35 miljarder ton. Enbart USA har sedan 1751 släppt ut omkring 400 miljarder ton koldioxid, nästan en fjärdedel av alla utsläpp hittills. Sedan 1751 har den kumulativa globala volymen av koldioxidutsläpp varit 1,5 biljon ton.

Koldioxid kan komma från många källor, inklusive förbränning av fossila bränslen, skogsbränder, vulkanutbrott osv. Den är skadlig eftersom den är en värmefångande gas. Koldioxid och andra växthusgaser bildar ett täcke eller lock som fångar värme som planeten annars skulle ha strålat ut i rymden.

Det som är ännu mer oroande är att koldioxidens värmefångande förmåga är enorm, och en liten mängd atmosfärisk koldioxid kan fånga enorma mängder värme. Den över 35 miljarder ton utsläppsfiguren vi diskuterade är resultatet av den enkla närvaron av koldioxid på en skala av 0,04 % av atmosfären.

När man förklarar hur obetydlig koldioxidens närvaro i atmosfären är, drog klimatforskaren Jason Smerdon från Columbia Universitys Lamont‑Doherty Earth Observatory en analogi: 

“Om någon i min storlek dricker två öl, kommer min blodalkoholhalt att vara omkring 0,04 procent.”

Han påpekar dock att även en liten volym av ett ämne kan medföra oåterkalleliga konsekvenser. Han fortsätter: 

“Det krävs inte så mycket cyanid för att förgifta en person. Det handlar om hur just den substansen interagerar med det större systemet och vad den gör för att påverka det systemet.”

Därför är koldioxidens och andra växthusgasernas värmefångande egenskaper ett hot som måste hanteras med största brådska och allvar.

Climate and Clean Air Coalition, ett av UNEP sammankallat initiativ, erkänner denna brådska i de mest välformulerade termerna möjliga. De säger: 

“Vi håller på att få slut på tiden för att hålla uppvärmningen under 2 grader Celsius.”

Enligt Durwood Zaelke, ordförande för kommittén och president för Institute for Governance and International Development (IGSD): 

“Vi kan inte lösa ett snabbt rörligt problem som klimatförändring med långsamma lösningar. Hastighet är vårt nya mått – hastigheten att minska SLCPs till 2030, att uppnå ren energi och nettonollutsläpp till 2050, och att avlägsna en växande andel av den koldioxid vi redan har släppt ut.”

Zaelke kvantifierar målet ytterligare genom att säga: 

“Att minska SLCPs kan undvika 0,6 grader av uppvärmning till mitten av seklet och spela en avgörande roll om vi vill hålla uppvärmningen till 1,5 grader.”

Här står SLCPs för kortlivade klimatföroreningar. Att hantera koldioxidproblem är behovet just nu. Att möta den oöverträffade brådska är inte möjligt utan innovativa lösningar. I de följande avsnitten diskuterar vi sådana innovativa metoder som nyligen har dykt upp.

Forskare visar hur man omvandlar koldioxid till hållbart bränsle

Ett internationellt forskarteam, bestående av representanter från University of Nottingham’s School of Chemistry, University of Birmingham, University of Queensland och University of Ulm, har designade ett material som kan ses som en betydande och avgörande form i produktionen av nya gröna bränslen.

Mer om materialet

Materialet härstammar från koppar förankrad på nanokristallint kolnitrid. Kopparatomerna sitter i den nanokristallina strukturen, vilket möjliggör att elektroner kan röra sig från kolnitrid till koldioxid. Denna rörelse är avgörande för att producera metanol från koldioxid under solbestrålning.

Om den lyckas nå skala kommer processen att lösa ett av de mest avgörande problemen i att hantera hoten som koldioxid utgör.

Koldioxid, den mest betydande drivkraften bakom den globala uppvärmningen, kan omvandlas till användbara produkter. Hittills har dessa omvandlingsprocesser dock krävt att vi förlitar oss på väte från fossila bränslen. Solenergi används för första gången.

Forskningen bekräftar behovet av att utveckla alternativa metoder, baserade på foto- och elektrokatalys, processer som effektivt utnyttjar hållbar solenergi och vattnets rikedom.

Enligt Dr Madasamy Thangamuthu, en av forskningsfellowerna i School of Chemistry: 

“Det finns en stor variation av olika material som används i fotokatalys. Det är viktigt att fotokatalysatorn absorberar ljus och separerar laddningsbärare med hög effektivitet. I vårt tillvägagångssätt kontrollerar vi materialet på nanoskalig nivå. Vi utvecklade en ny form av kolnitrid med kristallina nanoskaliga domäner som möjliggör effektiv interaktion med ljus samt tillräcklig laddningsseparation.”

Klicka här för en lista över de bästa aktierna för koldioxidinfångning.

Mer om processen

Uppvärmningsprocessen som användes i forskningen säkerställde att kolnitrid nådde den erforderliga kristalliniteten, vilket är avgörande för att maximera materialets potential för fotokatalys. Processen involverade också magnetronsputtring för att deponera koppar utan att använda lösningsmedel. Avsaknaden av lösningsmedel möjliggjorde intim kontakt mellan halvledare och metallatomer.

Enligt Tara LeMercier, doktorand vid University of Nottingham School of Chemistry: 

“Även utan koppar är den nya formen av kolnitrid 44 gånger mer aktiv än traditionell kolnitrid. Till vår förvåning fyrdubblade tillsatsen av endast 1 mg koppar per 1 g kolnitrid denna effektivitet. Viktigast är att selektiviteten skiftade från metan, en annan växthusgas, till metanol, ett värdefullt grönt bränsle.”

Sammanfattningsvis var experimentet banbrytande eftersom det använde katalysatorer som endast bestod av hållbara element. Enligt School of Chemistry‑professor Andrei Khlobystov: 

“Koldioxidvärdering är nyckeln till att uppnå Storbritanniens nettonollambition. Det är av avgörande betydelse att säkerställa hållbarheten i våra katalysatormaterial för denna viktiga reaktion. En stor fördel med den nya katalysatorn är att den består av hållbara element – kol, kväve och koppar – som alla är mycket rikligt förekommande på vår planet.”

Företag världen över arbetar med att omvandla kol till grön energi. Några av dessa företag har försett oss med riktigt spännande, innovativa och effektiva lösningar.

#1. Climeworks

Climeworks är känt för sina anläggningar för direkt luftinfångning och lagring, som tar bort koldioxid från luften. Förutom att driva sina koldioxidavlägsningsanläggningar samarbetar Climeworks också med andra för att säkra en komplett portfölj av högkvalitativa lösningar för den globala nettonollstrategin.

Företaget är verksamt över hela världen och erbjuder olika lösningar anpassade efter specifika behov. Till exempel, på Island transporterar företaget, med hjälp av sin lagringspartner Carbfix, koldioxid djupt under jord och får den att reagera med basaltsten genom en naturlig process så att den skadliga emissionen kan omvandlas till sten och förbli säkert innesluten i över 10 000 år.

I USA har Climeworks tillkännagett tre projekt under United States Department of Energy:s Regional DAC Hubs-program. Projektet Cypress, där Climeworks har varit en utvecklingspartner, kommer att implementera metoden för direkt luftinfångning för att avlägsna överskott av koldioxid (CO2) från atmosfären för att på lång sikt förhindra förvärrade extrema väderhändelser, såsom orkaner, torka och översvämningar.

I Zürich, Schweiz, har Climeworks utvecklat en anläggning som hjälper till att producera koldioxidneutrala grönsaker. Dess anläggning för direkt luftinfångning pumpar gasen in i växthus, vilket ökar växternas fotosyntes och höjer avkastningen med upp till 20 %. Climeworks säger att de kommer att extrahera omkring 900 ton CO2 per år från luften.

Enligt Matt Lucas från Centre for Carbon Removal: 

“Teknologier för att fånga CO2 från luften, som Climeworks enheter, har potential för den typ av kraftiga prisnedgångar som vi har sett för sol, vind och batterier, som också är fabriksproducerade produkter.”

Den 9 april 2024 mottog Climeworks 2,2 miljoner CHF (26 mio NOK) i norsk finansiering från Enova, det statliga företaget som ägs av den norska regeringens Ministerium för klimat och miljö.

För två år sedan hade Climeworks tecknat en aktierunda på 600 miljoner CHF (USD 650 miljoner). Investerarlistan inkluderade flera välkända och stora institutionella teknik- och infrastrukturinvesterare globalt.

#2. Heirloom Carbon

Heirloom Carbon har byggt den första kommersiella anläggningen för direkt luftinfångning i USA. Anläggningen drivs helt av förnybar energi och tar permanent bort koldioxid från atmosfären.

Den utnyttjar processen för kolmineralisering, där bergarter som kalksten – kända som naturliga kolsänkor – fångar enorma mängder CO2 över tid. Som en av de mest förekommande bergarterna på planeten kan kalksten absorbera stora mängder CO2 från luften under årens lopp. Heirloom Carbons teknik påskyndar denna process till bara några dagar.

Heirlooms teknik har flera fördelar. Den tar permanent bort koldioxid, vilket säkerställer att gasen förblir säkert lagrad under jord för evigt. Heirlooms tjänster har också ett minimalt miljöavtryck, eftersom deras anläggningar kan avlägsna 50 ton CO2 per kvadratmeter och kan placeras på odlingsobrukbar mark.

Med tiden tror Heirloom att deras tjänster kommer att bli optimalt kostnadseffektiva, med koldioxidavlägsningskrediter som kostar mindre än 100 USD per ton koldioxid år 2035.

I april 2022 erhöll Heirloom ett bidrag på 1 miljon USD från Mask Foundation och XPRIZE. Den tog in 53 miljoner USD i serie A från AENU och ett dussin andra investerare den 17 mars 2022. I juni 2021 fick Heirloom ett bidrag på 255 737 USD från National Science Foundation.

Fokus på en omfattande plan för att hantera koldioxidutsläpp

En sådan plan ser på hela livscykeln för koldioxidutsläpp och planerar att hantera dem överallt på det mest förnuftiga, platsoptimerade och effektiva sättet. Till exempel hjälper lösningar som Climate TRACE att identifiera globala utsläppshotspots med satelliter och maskininlärning. Företag som CarbonChain, å andra sidan, hjälper till att minska utsläppen i leveranskedjan genom att assistera företag med att profilera sina nuvarande utsläpp och hitta sätt att minska dem med hjälp av artificiell intelligens. Att identifiera energiläckor är också en del av denna omfattande plan.

När identifieringsprocessen är klar finns det tre möjliga sätt att hantera koldioxidproblem. Det första fokuserar på att stoppa ytterligare klimatskador från koldioxidutsläpp. Det andra handlar om att öka energieffektiviteten så att vi kan minska vårt beroende av fossila bränslen. Det tredje, som också är det mest ambitiösa av de tre, försöker vända den skada som redan har inträffat.

När det gäller specifika lösningar har många idéer utvecklats. Forskare har förespråkat odling av växter eller alger som kan absorbera CO2 från atmosfären medan de växer, samtidigt som de fungerar som en förnybar energikälla. Mer banbrytande och radikalt innovativa experiment involverar exempelvis ett nytt polymer som kan samla solenergi. Dessa polymerer kan sedan appliceras på textilier så att våra kläder blir både gröna och mobila energikällor.

Genom åren har många lockande tillämpningar och lösningar utvecklats inom området för skadereversering. Till exempel arbetar forskare med kolförstärkt betong som frigör CO2 från industriell utsläpp till syntetisk kalksten, en nyckelingrediens i betong. I detta avseende måste vi komma ihåg att betongproduktionen står för 4 % till 8 % av världens CO2-utsläpp.

Arbetet pågår också med att utveckla kolätande grödor, kolbindande gödningsmedel och mycket mer.

Med alla dessa innovationer måste vi säkerställa en netto minskning på 55 % eller mer jämfört med 1990 års nivåer till 2030 och ett klimatneutralitetsmål till 2050. Även om mycket mer måste göras inom övergången från fossila bränslen till ren, förnybar energi, måste globalt samarbete också vara effektivt för att stoppa avskogning, använda marken hållbart och återställa naturen.

Bestående insatser kommer så småningom att hjälpa oss att balansera volymen av växthusgaser som släpps ut i atmosfären med infångning och lagring av dessa gaser i våra skogar, hav och jord.