Muling Pag-iisip sa Industriya ng Uling sa Pamamagitan ng Carbon Dots

Noong Dis. 2023, 198 bansa na lumagda sa Conference of Parties (COP) ang nagkasundo na dapat lumipat ang mundo mula sa mga fossil fuel tulad ng uling sa isang “makatarungan, maayos, at patas na paraan” upang mapababa ang greenhouse gas emissions sa halos zero pagsapit ng 2050. Gayunpaman, wala pang takdang panahon, kaya ang mga fossil fuel ay mananatiling haligi ng mga ekonomiya sa buong mundo sa mga susunod na taon.

Ang uling ay ang pinaka-dominanteng at pinaka-carbon-intensive na mapagkukunan ng enerhiya sa mundo. Apat na pangunahing uri ng uling ang kinabibilangan ng:

(i) Anthracite
(ii) Bituminous
(iii) Subbituminous
(iv) Lignite

Ang fossil fuel na ito ay bumubuo ng higit sa 37% ng pandaigdigang suplay ng kuryente, na may mahalagang papel sa pagpapagana ng mga tahanan at industriya at sa pag-alis ng kahirapan sa enerhiya sa buong mundo. Kahit ngayon, humigit-kumulang 860 milyong tao ang walang access sa kuryente. Dahil dito, halos hindi maisip ang modernong buhay nang walang uling.

Ang pandaigdigang paggamit ng uling ay umabot sa rekord na taas noong 2023 habang tumaas ang demand ng 1.4% sa taong iyon, na lumagpas sa 8.5 bilyong metrikong tonelada sa unang pagkakataon, iniulat ng International Energy Agency (IEA). Ang global na konsumo ay inaasahang mananatiling lampas sa 8 bilyong metrikong tonelada sa 2026.

Ang uling ay isang mahalagang mapagkukunan para harapin ang hamon ng mabilis na pagtaas ng konsumo ng enerhiya dahil ito ay mas mura at mas madaling ma-access kumpara sa ibang fossil fuel. Hindi tulad ng langis at gas, ito ay matatagpuan nang sagana sa buong mundo.

Ang kagandahan ng uling ay hindi ito nangangailangan ng high-pressure pipelines, magastos na pagproseso, o mamahaling proteksyon sa transportasyon, kaya mas madali itong itago at ilipat kaysa sa iba pang napakabulok na fossil fuel. Bukod pa rito, bago ito magamit, kailangan lamang itong minahan, hindi tulad ng ibang fossil fuel na nangangailangan ng mahabang at magastos na refining process. 

Hindi pa nababanggit, ang mga reserba ng uling ay mas pantay-pantay ang distribusyon sa buong planeta. Noong Enero 2020, ang US ay may pinakamalaking reserba ng uling sa mundo, na bumubuo ng halos 90% ng lahat ng fossil fuel reserves, na may tinatayang 250 bilyong tonelada.

Bukod sa pagiging mas mura at madaling ma-access, napaka-versatile din ng uling at maaaring magamit sa iba’t ibang proseso. Ang uling ay pangunahing ginagamit para sa pagbuo ng kuryente sa buong mundo at talagang isang abot-kayang anyo ng enerhiya, kung saan ang kuryenteng nililikha ng uling ay mas mura kaysa sa kuryenteng nagmumula sa ibang mapagkukunan. 

Maging sa US, ginagamit ang uling upang lumikha ng kuryente sa pamamagitan ng pagsunog nito sa mga planta ng kuryente. Ang init na nagmumula rito ay ginagamit upang gawing mataas na presyon na singaw ang tubig, na nagpapaikot ng turbine, na nagbubunga ng kuryente. Noong 2019, humigit-kumulang 23% ng lahat ng kuryente sa US ay nagmula sa mga planta na pinapagana ng uling, ayon sa US Energy Information Administration.

Ang fossil fuel na ito ay ginagamit din sa paggawa ng bakal at kongkreto at isang pangunahing sangkap sa paggawa ng bakal, pati na rin sa iba pang metal tulad ng aluminyo at tanso. Ang uling at ang mga by-product nito ay karagdagang ginagamit sa mga water filter at air purification system, sa paggawa ng mga eroplano at sasakyan, sa medisina, at sa mga prosesong kemikal para kunin ang mga rare earth elements.

Mayroon ding mga kaso ng gasification at liquefaction ng uling, kung saan ang karamihan ng mga coal-to-gas na proyekto ay matatagpuan sa USA at China, may ilang sa Australia, Canada, India, South Africa, at Indonesia. Bukod sa paggawa ng mga chemical building blocks tulad ng ammonia, methanol, at urea, ginagamit din ang uling sa industriya ng papel, tela, at salamin. Kasama ng paggawa ng carbon fiber, nagbibigay ito ng mga sangkap tulad ng silicon metals, na ginagamit sa paggawa ng mga bahagi para sa personal care at household sectors.

Sa kabila ng kasaganaan, affordability, at pagiging maaasahan ng uling, humaharap ang industriya sa mga hamon sa pagbuo ng mga teknolohiya at landas tungo sa zero emissions, na kinikilala bilang isang salik sa pagbabago ng klima.

I-click dito upang malaman kung ang pag-iwas o paggamot ang tamang paraan para harapin ang atmospheric CO2.

Muling Pagsusuri sa Ekonomikong Papel ng Uling

Habang ang mga bansa sa buong mundo ay nangakong lilipat sa ibang paraan ng produksyon ng enerhiya dahil sa kanilang kontribusyon sa pagbabago ng klima, ang mga mananaliksik at siyentipiko ay naghahanap ng ibang paraan upang magamit ang uling. 

Upang muling suriin ang ekonomikong papel ng fossil fuel na ito, nagsanib-puwersa ang Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, ang National Energy Technology Laboratory, ang University of Illinois Urbana-Champaign, at ang Oak Ridge National Laboratory para sa isang pinagsamang pagsasaliksik at ipakita ang kritikal na papel na maaaring gampanan ng uling sa mga susunod na henerasyon ng elektronikong aparato.

Sa mga nagdaang taon, maraming pananaliksik ang naganap sa larangan ng 2D materials dahil sa kanilang electrical, optical, at mechanical properties. Ang synthesis ng iba’t ibang atomically thin 2D materials ay nagbubukas ng bagong plataporma para sa layer-by-layer na mga materyales na nagbibigay-daan sa paggalugad ng mga hindi pa nalalaman na katangian, na nangangako ng hanay ng mga bagong teknolohiya. 

Ang 2D layered semiconductors ay may mga tampok tulad ng mataas na mobility, low-power switching, medyo malaking bandgap, at ang kakayahang lumago sa malalaking area, na ginagawa silang promising candidate para sa susunod na henerasyon ng electronics. Ngayon, sinusubukan na ang uling para sa paggamit sa ganitong uri ng electronics. 

“Ang uling ay karaniwang iniisip na isang mabigat at maruming bagay, ngunit ang mga teknik sa pagproseso na aming binuo ay maaaring gawing mataas na purong materyales na ilang atom lamang ang kapal.”

– sabi ni Qing Cao, propesor ng materials science & engineering sa U. of I. na co-led ng pagsisikap. 

Binanggit din niya:

“Ang kanilang natatanging atomic structures at properties ay perpekto para sa paggawa ng ilan sa pinakamaliit na posibleng electronics na may performance na mas mataas kaysa sa kasalukuyang estado ng teknolohiya.”

Sa ilalim ng kolaborasyong ito, nakabuo ang mga mananaliksik ng proseso na nag-convert ng coal char sa napakaliit na carbon disks, na tinatawag na “carbon dots.” 

Ayon sa research group, ang mga nanoscale carbon disks na ito ay maaaring pagdugtung-dugtungin upang makabuo ng atomically thin membranes. Ang mga membrane na ito ay maaaring magamit sa mga aplikasyon tulad ng two-dimensional (2D) transistors at memristors. Ayon sa mga mananaliksik, ang mga teknolohiyang ito ay magiging kritikal sa pagbuo ng mas epektibong electronics. 

Habang ang mga carbon-based materials, maging ito man ay tradisyonal na industrial carbon tulad ng carbon black o bagong industrial carbon tulad ng graphite at carbon fibers, ay may mahalagang papel sa pag-unlad ng material science, ang macroscopic carbon material ay hindi epektibong fluorescent material dahil sa kakulangan ng angkop na band gap. Dito pumapasok ang carbon dots (CDs) bilang isang promising na solusyon.

Ang carbon dots o CDs ay isang bagong uri ng carbon-based nanomaterial na nakakuha ng maraming atensyon at pananaliksik dahil sa kanilang iba’t ibang physicochemical properties. Ang carbon dots ay maingat na binubuo at karaniwang mas maliit sa 10 nm ang sukat. Ang carbon-based nanomaterial na ito ay may mga katangian tulad ng maliit na sukat, eco-friendliness, mababang gastos, mababang toxicity, mataas na stability, magandang biocompatibility, electron mobility, mataas na quantum yield, maraming functional groups, at natatanging optical properties, kabilang ang malakas na absorption, photoluminescence, at phosphorescence.

Ang lahat ng mga katangiang ito ay nagiging dahilan kung bakit napakapopular ng bagong materyal na ito sa pamilya ng carbon at may maraming aplikasyon. Kabilang dito:

• Sensors
• Information encryption
• Photocatalysis
• Light-emitting diodes
• Chemical sensing
• Solar cells
• Supercapacitors
• Rechargeable batteries
• Bioimaging
• Phototherapy
• Gene delivery
• Drudge delivery
• Explosive detection
• Nanomedicine
• Food safety
• Anticounterfeiting

Alamin kung paano maaaring maging susi ang methane sa pagtamo ng mga layunin sa klima.

Uling ay Maglalaro ng Mahalaga na Papel sa Susunod na Henerasyon ng Electronics 

Ang mga mananaliksik at siyentipiko sa buong mundo ay nagtatrabaho upang lumikha ng mas maliliit, mas mabilis, at mas advanced na electronics. Nangangahulugan ito na ang mga device na gawa sa mga materyales na isang o dalawang atom lamang ang kapal ay mas mabilis mag-operate at kumukonsumo ng mas kaunting enerhiya. 

Para sa mga ganitong device, maraming pag-aaral ang ginawa hinggil sa ultrathin semiconductors, ngunit ngayon ay kailangan ng masusing pananaliksik sa atomically thin insulators upang makabuo ng gumaganang electronic devices tulad ng transistors at memristors.

Pagdating sa mga materyales, hinahati ang mga ito sa conductors, semiconductors, at insulators base sa kanilang kakayahang magpadaloy ng kuryente. Ang mga materyales tulad ng copper, brass, steel, gold, at aluminum na madaling mag-conduct ng kuryente dahil sa mababang electrical resistivity ay tinatawag na conductors. 

Ang mga insulators ay mga materyales tulad ng salamin, hangin, kahoy, plastik, at goma, na hindi madaling mag-conduct ng kuryente. Samantala, ang mga materyales tulad ng silicon (Si), germanium (Ge), at selenium (Se), pati na rin ang mga compound tulad ng gallium arsenide (GaAs) at indium antimonide (InSb), ay may electrical conductivity na nasa pagitan ng conductor at insulator.

Ang resistance ng semiconductor ay bumababa habang tumataas ang temperatura, habang ang conductivity ng semiconductor ay tumataas kasabay ng pagtaas ng temperatura.

Ang mga insulators ay may malawak na aplikasyon, kabilang ang wall insulation para kontrolin ang daloy ng init, furnace insulation para sa thermal at dielectric barriers, sound insulation para maiwasan ang ingay, at electrical insulation sa household circuitry at mga capacitor sa komersyal at consumer goods. Ang mga semiconductors ay nasa paligid natin, tulad ng maliliit na transistors na nasa halos bawat gadget na ginagamit natin at mga solar cell na ginagamit sa solar panels upang gawing kuryente ang sikat ng araw.

Sa mga insulators, ang energy gap sa pagitan ng valence at conduction bands ay napakalaki (humigit-kumulang 15 eV) habang sa semiconductor, ang gap na ito ay napakaliit (humigit-kumulang 1 eV). 

Ayon sa pinakabagong pag-aaral, ang atomically thin layers ng carbon na may disorder na atomic structures ay maaaring magsilbing mahusay na insulator para sa pagbuo ng 2D devices, na ginawa ng koponan mula sa coal char-derived carbon dots.

Ngayon, upang ipakita ang potensyal ng coal-derived carbon layers, ginamit ng mga mananaliksik ang mga ito bilang gate dielectric sa 2D transistors. Nakabatay sa semiconductor molybdenum disulfide, lumikha ang koponan ng device na may bilis ng operasyon na higit sa dalawang beses na mas mabilis na may mas mababang konsumo ng enerhiya. 

Ang mga coal-derived carbon layers ay walang “dangling bonds,” na karaniwan sa mga conventional 3D insulators. Sa pamamagitan ng epektibong pagganap bilang “traps,” binabago nila ang electrical properties ng 3D insulators, na nagpapabagal sa transport ng mobile charges na nagreresulta sa bilis ng transistor switching. 

Gayunpaman, ang mga bagong coal-derived carbon layers, hindi tulad ng ibang atomically thin na materyales, ay amorphous, at ang hindi kanais-nais na electrical currents ay dumadaloy sa insulator, na nagdudulot ng malaking karagdagang konsumo ng enerhiya sa operasyon ng device. Sinabi ni Mr Qing Cao:

“Talagang kapanapanabik ito, dahil ito ang unang pagkakataon na ang uling, isang bagay na karaniwang nakikita natin bilang low-tech, ay direktang konektado sa cutting edge ng microelectronics.”

Isa pang aplikasyon na ipinakita ng mga mananaliksik ay ang memristors, mga electronic component na maaaring mag-imbak at magproseso ng data, na malaki ang maitutulong sa pagpapatupad ng Artificial Intelligence (AI). Ang mga device na ito ay nag-iimbak at nagrerepresenta ng data sa pamamagitan ng pag-modulate ng conductive filament.

Sa paggamit ng napakakipot na carbon layers bilang insulator, nagawa ng mga mananaliksik na magkaroon ng mabilis na pagbuo ng nasabing filament na may mababang konsumo ng enerhiya, na nagbigay-daan sa device na mag-operate nang mabilis at may mababang power. Dagdag pa rito, ang atomic size rings sa mga coal-derived carbon layers ay nag-trap sa filament upang mapabuti ang reproducible na operasyon ng device para sa mas maaasahang data storage.

Ipinapakita ng mga bagong device na ang coal char-derived carbon layers ay maaaring magamit sa 2D devices. Sa susunod na hakbang, ang kolaboratibong pagsisikap ay lilipat sa pag-develop ng “fabrication process for coal-based carbon insulators” na maaaring ilapat sa malawak na sukat.

Paggamit ng Bagong Lapit 

Habang ang mundo ay lumilipat mula sa carbon dahil sa tumitinding pokus sa pagbawas ng greenhouse gas emissions, ang patuloy na pananaliksik sa industriya upang muling suriin ang carbon ay makikita sa iba’t ibang industriya, tulad ng mga semiconductor manufacturer, na maaaring gamitin ang mga bagong anyo nito sa hinaharap. Kaya, tingnan natin ang ilang kumpanya na maaaring magpatupad ng ganitong mga lapit. 

#1. Taiwan Semiconductor Manufacturing 

Ito ang pinakamalaking tagagawa ng chip sa mundo na gumagamit ng pinaka-advanced na process technologies sa industriya. Kilala ang Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. sa pagsilbi sa pangangailangan ng maraming high-profile na kliyente, kabilang ang NVIDIA, AMD, Intel, at Apple. Ang saklaw ng aplikasyon ng produkto ng kumpanya ay sumasaklaw sa malawak na electric industry, at ito ay unti-unting lumalawak sa buong mundo na may mga pabrika sa tatlong kontinente.

Sa market cap na $530.26 bilyon, ang TSM shares ay kasalukuyang nagte-trade sa $101.40, pababa ng 1.69% year-to-date (YTD). Ang kumpanya ay nag-post ng revenue trailing twelve months (TTM) na $69.84 bilyon habang may EPS (TTM) na 5.36, P/E (TTM) na 19.08, at ROE (TTM) na 29.43%. Ang Taiwan Semiconductor Manufacturing ay nagbabayad din ng dividend yield na 1.88%.

#2. NVIDIA Corporation 

Ang kumpanyang ito ay nagde-develop ng hardware at software para sa gaming, laptops, data centers, at apps at kilala sa paggawa ng graphics processing units (GPUs) para sa iba’t ibang aplikasyon, kabilang ang games, crypto mining, at AI. 

Kamakailan, inilunsad ng Nvidia ang kanilang bagong desktop graphics processor, ang GeForce RTX 40 SUPER Series, para sa mga video game enthusiasts pati na rin para patakbuhin ang AI applications locally. Pinalawak din ng Nvidia ang kanilang saklaw sa China’s EV sector matapos i-anunsyo na apat na Chinese EV brands ang gagamit ng kanilang teknolohiya para sa automated driving systems.

Sa market cap na $1.29 trilyon, ang NVDA shares ay kasalukuyang nagte-trade sa $522.58, tumaas ng 5.5% year-to-date (YTD). Ang kumpanya ay nag-post ng revenue trailing twelve months (TTM) na $44.87 bilyon habang may EPS (TTM) na 7.57, P/E (TTM) na 68.99, at ROE (TTM) na 69.17%. Nagbabayad din ang Nvidia ng dividend yield na 0.03%.

#3. Advanced Micro Devices, Inc. 

Ang CPU at GPU designer na ito ay isa sa pinakamalaking chip companies na kamakailan lamang nag-anunsyo ng Ryzen 8000G series, pinangunahan ng Ryzen 7 8700G, na ayon sa AMD ay may pinakamabilis na integrated graphics accelerator. Samantala, ang pinakabagong GPU ng Advanced Micro Devices, ang Radeon series, ay tumutugon sa lower at middle end ng gamer market.

Sa market cap na $236.154 bilyon, ang AMD shares ay kasalukuyang nagte-trade sa $145.21, pababa ng 0.83% year-to-date (YTD). Ang kumpanya ay nag-post ng revenue trailing twelve months (TTM) na $22.11 bilyon habang may EPS (TTM) na 0.13, P/E (TTM) na 1,152.84, at ROE (TTM) na 0.38%.

Konklusyon

Kaya, tulad ng nakikita natin, ang industriya ng uling ay nagbabago dahil sa mga siyentipiko at mananaliksik na nagtatrabaho upang ilahad ang halaga nito at ang papel na ginagampanan nito sa pamamagitan ng paglikha ng carbon dots na nagpapakita ng ilang natatanging katangian na maaaring maging lubos na kapaki-pakinabang sa susunod na henerasyon ng mga elektronikong device. Sa ganitong paraan, ang industriya ng uling ay makakatulong hubugin ang hinaharap ng mga teknolohiyang elektronikong sustainable.