فجر جديد للقدرة على تحمل تكاليف احتجاز الكربون
كشف العلماء عن مادة كربونية جديدة رائدة يمكن أن تقلل بشكل كبير من التكلفة ومتطلبات الطاقة لتكنولوجيا احتجاز الكربون، مما يوفر دفعة كبيرة للجهود العالمية لمكافحة تغير المناخ. يركز الابتكار على شبكة كربون مصممة بدقة، ومملوءة بذرات النيتروجين، والتي تُظهر كفاءة لا مثيل لها في احتجاز ثاني أكسيد الكربون وإطلاقه باستخدام الحد الأدنى من الحرارة.
يأتي هذا الاكتشاف، المفصل في دراسة نشرت هذا الأسبوع في مجلة Nature Climate Solutions، من فريق تعاوني بقيادة الدكتورة أنيا شارما، الباحث الرئيسي في معهد حافة المحيط الهادئ للمواد المتقدمة (PRAM) في كيوتو. اليابان. يقدم بحثهم مادة يمكنها إطلاق ثاني أكسيد الكربون المحتجز عند درجات حرارة أقل من 60 درجة مئوية، وهو تناقض صارخ مع درجة الحرارة التي تتراوح بين 100 و200 درجة مئوية والتي تحتاجها عادة المواد الماصة الحالية. تعني عتبة درجة الحرارة المنخفضة هذه أن النظام يمكن أن يعمل على الحرارة المهدرة الناتجة عن العمليات الصناعية، مما يتجنب الحاجة إلى مدخلات طاقة مخصصة ومكلفة.
معضلة احتجاز الكربون: التكلفة والطاقة
من المعترف به على نطاق واسع أن تقنيات احتجاز الكربون واستخدامه وتخزينه (CCUS) هي أدوات حاسمة لإزالة الكربون من القطاعات التي يصعب التخفيف منها مثل الصناعات الثقيلة وتوليد الطاقة. ومع ذلك، فإن اعتمادها على نطاق واسع أعاقته عقبات اقتصادية وحيوية كبيرة. تعتمد الطرق التقليدية غالبًا على المذيبات الكيميائية أو المواد الماصة الصلبة التي تتطلب طاقة كبيرة - الحرارة في المقام الأول - للتجديد، أي إطلاق ثاني أكسيد الكربون المحتجز للتخزين أو إعادة الاستخدام. يمكن أن يمثل هذا الطلب على الطاقة ما يصل إلى 70% من إجمالي تكاليف التشغيل لمحطة احتجاز الكربون وتخزينه، مما يجعلها اقتراحًا مكلفًا.
"لفترة طويلة جدًا، كانت عقوبة الطاقة المرتبطة بتجديد مواد احتجاز الكربون بمثابة كعب أخيل لهذه التكنولوجيا"، يوضح الدكتور شارما. "كان هدفنا هو تصميم مادة يمكنها كسر هذه الدورة، مما يجعل احتجاز وتخزين الكربون ليس فعالًا فحسب، بل أيضًا قابلاً للتطبيق اقتصاديًا على نطاق عالمي. ونعتقد أن شبكة N-Carbon هي خطوة رئيسية في هذا الاتجاه. "
إطلاق العنان للكفاءة: شبكة N-Carbon
يكمن الابتكار في الهندسة الدقيقة على المستوى الذري للمادة الجديدة، التي يطلق عليها "شبكة N-Carbon". اكتشف فريق الدكتور شارما أنه من خلال التحكم الدقيق في ترتيب وتكامل ذرات النيتروجين داخل بنية الكربون المسامية، يمكنهم إنشاء مواقع نشطة محددة تربط جزيئات ثاني أكسيد الكربون بانتقائية وقوة ملحوظة. والأهم من ذلك، أن هذه الروابط تضعف بشكل كبير مع زيادة طفيفة في درجة الحرارة، مما يسمح بتحريرها بسهولة.
يقول البروفيسور كينجي تاناكا، أحد كبار مستشاري المشروع: "يتعلق الأمر بالهندسة الدقيقة على المستوى النانوي". "لقد حددنا تكوينات محددة من النيتروجين تعمل كمصائد جزيئية مصممة بشكل مثالي. فهي تحتفظ بثاني أكسيد الكربون بإحكام ولكنها تطلقه بسهولة عند تسخينه بلطف إلى حوالي 55 درجة مئوية. وهذا يقلل من الطاقة المطلوبة لإطلاق ثاني أكسيد الكربون بنسبة تزيد عن 60% مقارنة بالمواد الأفضل حاليًا، كما تُظهر المادة أيضًا قدرة على التقاط ثاني أكسيد الكربون بنسبة تصل إلى 18% أعلى بالوزن في ظل ظروف مماثلة."
إن القدرة على العمل في درجات حرارة منخفضة كهذه تفتح مجموعة واسعة جديدة من الاحتمالات. تولد المنشآت الصناعية مثل مصانع الأسمنت، ومصانع الصلب، وحتى مراكز البيانات كميات كبيرة من الحرارة المهدرة منخفضة الجودة، والتي غالبا ما يتم تنفيسها ببساطة إلى الغلاف الجوي. يمكن لشبكة N-Carbon الاستفادة من هذه الطاقة غير القابلة للاستخدام لتشغيل عملية إطلاق ثاني أكسيد الكربون، وتحويل العبء المكلف إلى أحد أصول الطاقة.
مخطط لمستقبل أكثر اخضرارًا
إن الآثار المترتبة على هذا الاختراق عميقة. ومن خلال خفض التكاليف التشغيلية لاحتجاز الكربون بما يقدر بنحو 40% إلى 50%، يمكن لشبكة N-Carbon Lattice أن تعمل على تسريع نشر البنية التحتية لاحتجاز الكربون وتخزينه في جميع أنحاء العالم. وهذا من شأنه أن يوفر مسارًا حيويًا للصناعات التي تكافح من أجل تحقيق أهداف الانبعاثات ومساعدة البلدان على تحقيق التزاماتها المناخية.
يفترض الدكتور شارما: "تخيل محطة طاقة تعمل بالفحم أو مصنع أسمنت يمكنه احتجاز انبعاثاته ليس باستخدام طاقة جديدة باهظة الثمن، ولكن ببساطة عن طريق إعادة تدوير الحرارة التي ينتجها بالفعل". "هذه هي الرؤية التي نعمل على تحقيقها. وهذا ليس مجرد تحسن تدريجي؛ إنه مخطط جديد قوي لتصميم تكنولوجيا مناخية من الجيل التالي تكون فعالة للغاية وجذابة اقتصاديًا. "
من المختبر إلى النطاق الواسع: الطريق إلى الأمام
على الرغم من أن نتائج المختبر واعدة بشكل استثنائي، فإن الرحلة من الاكتشاف إلى التطبيق الصناعي على نطاق واسع لا تزال أمامنا. يركز فريق PRAM الآن على زيادة إنتاج شبكة N-Carbon Lattice، وضمان متانتها على مدى آلاف دورات تحرير الالتقاط، وتحسين أدائها في البيئات الصناعية في العالم الحقيقي. ويجري التعاون بالفعل مع الشركات الهندسية والشركاء الصناعيين لتطوير مشاريع تجريبية.
"ستكون السنوات الثلاث إلى الخمس القادمة حاسمة لإثبات قوة المادة وفعاليتها من حيث التكلفة على المستوى الصناعي"، كما يشير البروفيسور تاناكا. "لكن العلوم الأساسية سليمة، والتأثير المحتمل على مستقبل مناخنا هائل. ونحن متفائلون بأن هذه التكنولوجيا يمكن أن تشهد اعتماداً واسع النطاق بحلول أوائل ثلاثينيات القرن الحالي، وتلعب دورًا محوريًا في تحقيق صافي انبعاثات صفرية."
