Παγίδες διοξειδίου του άνθρακα εναντίον της κλιματικής αλλαγής.
Κλιματική αλλαγή και διοξείδιο του άνθρακα.
Γνωρίζουμε ότι η ποσότητα του διοξειδίου του άνθρακα στην ατμόσφαιρα παρουσιάζει μια διακύμανση της τάξης των μερικών δεκάδων χιλιάδων ετών τα τελευταία οχτακόσιες χιλιάδες έτη. Ωστόσο, τις τελευταίες δεκαετίες η αύξηση της ποσότητας του αερίου έχει ξεπεράσει κατά πολύ το μέγιστο των διακυμάνσεων αυτών. Η πιθανότητα η αύξηση που παρατηρείται από το 1950 και μετά να είναι ανθρωπογενής και να οφείλεται στη ραγδαία αύξηση της βιομηχανικής δραστηριότητας και άλλων παραγόντων (μεταφορές, κτηνοτροφία κ.λπ.) ξεπερνά το 95%.
Υπολογίζεται ότι η αύξηση της παγκόσμιας θερμοκρασίας, που συνεπάγεται η ραγδαία αύξηση εκπομπής διοξειδίου, αγγίζει τον ένα βαθμό τον τελευταίο αιώνα, ενώ τα πέντε θερμότερα έτη των τελευταίων δεκαετιών βρίσκονται μετά το 2010. Με βάση τα στοιχεία των μελετών, η ανθρωπογενής κλιματική αλλαγή είναι μια πραγματικότητα.
Σύμφωνα με εκτιμήσεις από τις αρμόδιες επιτροπές του ΟΗΕ σχετικά με την κλιματική αλλαγή, το αποτύπωμα άνθρακα των τριών τελευταίων δεκαετιών παγκοσμίως βρίσκεται μεταξύ 100 δισεκατομμυρίων και 1 τρισεκατομμυρίου τόνων. Πολλές μελέτες αναφέρουν ότι η τωρινή κατάσταση είναι πιθανόν μη αναστρέψιμη, αλλά, προκειμένου να αποφευχθούν τα χειρότερα, η διεθνής κοινότητα ήδη προσπαθεί να επιβάλει μέτρα που θα μειώνουν τις εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα (και των υπόλοιπων αερίων του θερμοκηπίου).
Κυκλική οικονομία του άνθρακα
Πολλές ερευνητικές ομάδες εστιάζουν στην ανάπτυξη μεθόδων που θα δεσμεύουν το διοξείδιο του άνθρακα και τα υπόλοιπα αέρια απευθείας από τον ατμοσφαιρικό αέρα. Αν και η χημεία που διέπει τη δέσμευση CO2 από υλικά είναι γενικώς γνωστή, υπάρχουν ακόμη μια σειρά από προκλήσεις που αφορούν κυρίως την απόδοση και το κόστος των διατάξεων αλλά και την αξιοποίηση του διοξειδίου του άνθρακα που αυτές θα δεσμεύουν.
Γιατί όμως να μην φυτεύσουμε απλώς δέντρα, που είναι οι τέλειες συσκευές απορρόφησης και ανακύκλωσης διοξειδίου του άνθρακα; Στην πράξη, θα πρέπει το μεγαλύτερο μέρος των εκτάσεων που έχουν ήδη αποψιλωθεί για καλλιέργειες να μετατραπεί σε δάση, κάτι που δεν αποτελεί επιλογή για την ώρα δεδομένου του παγκόσμιου οικονομικού και καταναλωτικού μοντέλου.
Επομένως, μέρος της έρευνας έχει ως σκοπό την κατασκευή όσο γίνεται μικρότερου κόστους συσκευών με τη μεγαλύτερη δυνατή απόδοση ώστε η λύση να είναι αποτελεσματική και εφαρμόσιμη. Tο τελικό «προϊόν», δηλαδή το μείγμα διοξειδίου του άνθρακα που θα αποβάλλεται, θα μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε άλλες εφαρμογές, όπως η παρασκευή λιπασμάτων και βιοκαυσίμων. Το τελευταίο βήμα θα εξασφαλίζει ότι το διοξείδιο του άνθρακα θα ανακυκλώνεται, κατ’ αναλογία με ό,τι συμβαίνει με τα φυτά, ενώ ταυτόχρονα θα τροφοδοτεί μια αγορά. Η τελευταία, με τη σειρά της, θα μπορεί να χρηματοδοτήσει την περαιτέρω έρευνα στον τομέα επιτρέποντας την ακόμα πιο φτηνή δέσμευση διοξειδίου του άνθρακα στο μέλλον. Η περιγραφή αυτή συνιστά, στην ουσία, αυτό που ονομάζεται κυκλική οικονομία του διοξειδίου του άνθρακα (carbon circular economy).
Κάν’ το όπως τα φυτά: Ανακυκλώνοντας τα αέρια του θερμοκηπίου
Οι ερευνητικές ομάδες μελετούν τις ιδιότητες των υλικών προσπαθώντας να κατασκευάσουν διατάξεις οι οποίες θα μιμούνται τα φυτά ως προς την «ανακύκλωση» του διοξειδίου του άνθρακα. Σκοπός είναι η σχετική τεχνολογία να ανακυκλώνει είτε τα αέρια του θερμοκηπίου που έχουν ήδη διοχετευτεί στην ατμόσφαιρα ή αυτά που θα εκπέμπονται από μεγάλες βιομηχανίες με σκοπό την παραγωγή άλλων ουσιών μαζικής χρήσης, όπως καύσιμα, πλαστικά και φαρμακευτικά προϊόντα.
Έχει παρατηρηθεί εδώ και χρόνια ότι συνδυάζοντας καταλλήλως σωματίδια του χαλκού με υλικά που απορροφούν το φως μπορούμε να οδηγηθούμε σε διατάξεις που μετατρέπουν το διοξείδιο του άνθρακα σε άλλες χημικές ενώσεις. Γι’ αυτόν τον λόγο ερευνητικές ομάδες προσπαθούν να βελτιστοποιήσουν τις διαδικασίες μετατροπής εξετάζοντας την απόδοση διαφόρων συνδυασμών μιας ποικιλίας μετάλλων και άλλων υλικών.
Το 2016 ερευνητές χρησιμοποίησαν καταλύτες που περιείχαν χρυσό και χαλκό και ήταν τοποθετημένοι σε νανοσύρματα πυριτίου για να μετατρέψουν το διοξείδιο του άνθρακα σε μονοξείδιο (CO). Το τελευταίο είναι ένα αέριο χρήσιμο σε μια σειρά βιομηχανικών εφαρμογών. Μόλις τρία χρόνια αργότερα ερευνητές του Πανεπιστημίου του Μίσιγκαν Αν Άρμπορ χρησιμοποίησαν καταλύτες με ζιρκόνιο (Zr) και ρουθήνιο (Ru) σε νανοσύρματα νιτριδίου του γαλλίου (GaN) για να μετατρέψουν του διοξείδιο του άνθρακα σε μεθανικό οξύ, επίσης πολύ χρήσιμο σε βιομηχανικές εφαρμογές. Συνεχίζοντας τις προσπάθειες για μια διαδικασία που να μπορεί να οδηγήσει σε μαζική παρασκευή συνθετικών καυσίμων, η ίδια ομάδα ερευνητών χρησιμοποίησε νανοσωματίδια χαλκού - σιδήρου σε νανοσύρματα GaN για να κατασκευάσει καταλύτες με αρκετά μεγάλη απόδοση και ταχύτητα. Η σημαντικότερη επιτυχία αυτής της πιο πρόσφατης προσπάθειας είναι ότι τα υλικά που χρησιμοποιήθηκαν ήταν φθηνά, ανοίγοντας έτσι τον δρόμο για μαζική παραγωγή, αφού όμως πρώτα βελτιωθεί περισσότερο η απόδοση της διάταξης.
Άλλη μια πρόσφατη μελέτη έρχεται να συνεισφέρει στη δημιουργία συνθετικών καυσίμων από το διοξείδιο του άνθρακα βελτιώνοντας διατάξεις με καταλύτες που βασίζονται στο νικέλιο. Το μέταλλο αυτό βρίσκεται σε μεγάλη αφθονία στη Γη, επομένως η αξιοποίησή του θα μπορούσε να οδηγήσει σε φτηνές εφαρμογές που θα μπορούσαν σχετικά εύκολα να παραχθούν μαζικά. Ωστόσο, στις διατάξεις που είχαν μελετηθεί μέχρι σήμερα κατά τη διαδικασία της δέσμευσης των αερίων των θερμοκηπίων ο καταλύτης αλλοιωνόταν γρήγορα με αποτέλεσμα να μην μπορούσε να χρησιμοποιηθεί περαιτέρω.
Ερευνητές του Ινστιτούτου Προχωρημένης Επιστήμης και Τεχνολογίας της Κορέας (KAIST) βρήκαν μια διαδικασία που αντιμετωπίζει το πρόβλημα της ανθεκτικότητας αυτών των υλικών. Ο καταλύτης που ανέπτυξαν αποτελείται από νανοσωματίδια νικελίου - μολυβδένιου σε περιβάλλον κρυσταλλικού οξειδίου του μαγνησίου και μπορεί να λειτουργήσει αποτελεσματικά για περισσότερο από έναν μήνα. Η μελέτη δημοσιεύτηκε στο επιστημονικό περιοδικό «Science» τον Φεβρουάριο του 2020 και πιστεύεται ότι ο μηχανισμός που περιγράφεται μπορεί να συμβάλει σημαντικά στην έρευνα για πιο αποτελεσματικές μεθόδους δέσμευσης αερίων θερμοκηπίου.
Παγίδες διοξειδίου του άνθρακα: Όραμα και κριτική
Οι ειδικές εκδόσεις του «MIT Technology Review» αφιέρωσαν στο τεύχος του 2019 αρκετές σελίδες στην περίπτωση του Κλάους Λάκνερ από το Κέντρο Αρνητικών Εκπομπών Άνθρακα του Πολιτειακού Πανεπιστημίου της Αριζόνα. Ο Λάκνερ ήταν ο πρώτος που δημοσίευσε μελέτη πάνω στη δυνατότητα να κατασκευαστούν συσκευές που να δεσμεύουν το διοξείδιο του άνθρακα της ατμόσφαιρας και εργάζεται πάνω στο πρόβλημα εδώ και δύο δεκαετίες Η δουλειά του έχει σταδιακά κερδίσει υποστηρικτές και πλέον μια σειρά από νεοφυείς επιχειρήσεις (συμπεριλαμβανομένης και της δικής του) επίσης δραστηριοποιούνται στο ίδιο πεδίο.
Η πιο πρόσφατη συσκευή του Λάκνερ είναι ένα κουτί που περιέχει λωρίδες φτιαγμένες από πολυμερή. Αυτές φέρουν ρητίνες, οι οποίες δεσμεύουν το διοξείδιο του άνθρακα του αέρα με τον οποίο έρχονται σε επαφή. Όταν οι λωρίδες συγκεντρώσουν το μέγιστο ποσό αερίου που μπορούν να δεσμεύσουν, η συσκευή τις μαζεύει στο εσωτερικό της και τις «λούζει» με νερό. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα το δεσμευμένο αέριο να διοχετεύεται στο δοχείο της συσκευής, το οποίο στη συνέχεια συλλέγεται σε δεξαμενές με τη βοήθεια αντλιών.
Το προϊόν είναι ένα μείγμα χαμηλής περιεκτικότητας σε διοξείδιο του άνθρακα και επομένως μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε θερμοκήπια ως λίπασμα. Δεν μπορεί όμως να χρησιμοποιηθεί σε άλλες εφαρμογές που απαιτούν πολύ μεγαλύτερη περιεκτικότητα. Επίσης, η μέθοδος είναι αποτελεσματική μόνο σε περιβάλλον χαμηλής υγρασίας και όταν ο άνεμος είναι ικανός να «σπρώξει» τον αέρα στη συσκευή.
Κάποιες μέθοδοι χρησιμοποιούν ανεμιστήρες επιτρέποντάς τους να λειτουργούν ακόμη και απουσία ανέμου, κάτι που όμως απαιτεί επιπλέον σπατάλη ενέργειας και μειώνει την απόδοσή τους. Ο Λάκνερ υποστηρίζει ότι η δική του μέθοδος απαιτεί πολύ λίγο ρεύμα και θα μπορούσε να αξιοποιηθεί στην παρασκευή συνθετικών καυσίμων σε περιοχές με ξηρό κλίμα. Για κάτι τέτοιο θα απαιτούνταν συστάδες συσκευών σε συνδυασμό με ηλιακά πάνελ. Τα τελευταία θα παρέχουν ηλεκτρικό ρεύμα που θα χρησιμοποιείται για την ηλεκτρόλυση του νερού και την παραγωγή υδρογόνου. Το διοξείδιο του άνθρακα από τις συσκευές και το υδρογόνο της ηλεκτρόλυσης είναι τα απαραίτητα «συστατικά» για την παρασκευή συνθετικών καυσίμων.
Δεν είναι λίγοι αυτοί που ασκούν κριτική στον Λάκνερ θεωρώντας ότι πολλές από τις ιδέες του, αν και προσπαθούν να αντιμετωπίσουν το ευρύτερο ζήτημα των εκπομπών με αποτελεσματικό τρόπο, δεν είναι πραγματοποιήσιμες. Πιο συγκεκριμένα, η κριτική εστιάζει στο κόστος της δέσμευσης του διοξειδίου του άνθρακα, καθώς πρόσφατες μελέτες έδειξαν ότι το κόστος της δεν μπορεί για την ώρα να είναι χαμηλότερο από 600 δολάρια ανά τόνο αερίου. Επομένως, προς το παρόν, η «αφαίρεση» των τουλάχιστον εκατό δισεκατομμυρίων τόνων του αερίου από την ατμόσφαιρα ξεπερνάει σε κόστος το παγκόσμιο ΑΕΠ. Η τοποθέτηση του Λάκνερ πάνω σ’ αυτή την κριτική είναι ότι δεν έχει αποκλειστεί ακόμη το ενδεχόμενο για φτηνότερες λύσεις και ότι πρέπει η επιστημονική κοινότητα να συνεχίσει να εργάζεται πάνω σ’ αυτό. Φυσικά, ακόμη και τότε ένα πολύ σημαντικό ζήτημα είναι ποιος θα επωμιστεί αυτό το κόστος.
Πάντως, δεν γνωρίζουμε αν η απευθείας δέσμευση διοξειδίου του άνθρακα μπορεί να βοηθήσει στην καταπολέμηση της κλιματικής αλλαγής. Τα προβλήματα και τα μεγέθη δείχνουν ότι πρόκειται για μια λύση πολύ πιο ακριβή από την επιβολή της μείωσης των εκπομπών. Με αυτή τη διαπίστωση σχετίζεται και το κυριότερο πρόβλημα που εντοπίζουν σ’ αυτές τις λύσεις οι επικριτές τους: ο ισχυρισμός πως η δέσμευση διοξειδίου του άνθρακα από την ατμόσφαιρα μπορεί να είναι σύντομα εφικτή δίνει τη δικαιολογία σε ομίλους εταιρειών και κράτη να μην προσπαθούν να μειώσουν τις εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου.
Γ.Κ.
Πηγές:
“MIT Technology Review”, Special Edition 2019, Best Ideas in Tech
Μεταφράσεις όρων
Cooling upper atmosphere: η ανώτερη ατμόσφαιρα ψύχεται
Less heat escaping to space: λιγότερη θερμότητα διαφεύγει στο Διάστημα
More fossil fuel carbon in the air: Περισσότερο διοξείδιο του άνθρακα από καύσεις ορυκτών καυσίμων στον αέρα
More heat returning to Earth: περισσότερη θερμότητα επιστρέφει στη Γη
Less oxygen in the air: λιγότερο οξυγόνο στον αέρα
Winter warming faster than summer: Το χειμώνα η θερμοκρασία αυξάνεται ταχύτερα από ό,τι το καλοκαίρι
Nights warming faster than days: Τις νύχτες η θερμοκρασία αυξάνεται ταχύτερα από ό,τι την ημέρα
More fossil fuel carbon in trees: Περισσότερο διοξείδιο του άνθρακα από καύσεις ορυκτών καυσίμων στα δέντρα
More fossil fuel carbon in coral: Περισσότερο διοξείδιο του άνθρακα από καύσεις ορυκτών καυσίμων στα κοράλλια
Pattern of ocean warming: μοτίβο θέρμανσης των ωκεανών
(Πηγή: Wikimedia Commons)
Thousands of years: Χιλιάδες έτη
CO2 concentration (ppmv): Συγκέντρωση CO2 (μέρη στο εκατομμύριο)
Ice age cycles: κύκλοι παγετώνων
Industrial evolution starts: έναρξη της βιομηχανικής επανάστασης
Year (CE) Έτος (μ.Χ.)
(Πηγή: Wikimedia Commons)
9 Μαρτίου 2020