فجر جديد لتكنولوجيا احتجاز الكربون
لقد واجه السباق العالمي للحد من انبعاثات الكربون ومكافحة تغير المناخ عوائق منذ فترة طويلة بسبب التكلفة العالية وكثافة الطاقة لتقنيات احتجاز الكربون الحالية. ومع ذلك، فإن الاكتشاف الرائد الذي توصل إليه العلماء في المعهد الفيدرالي السويسري للتكنولوجيا (ETH زيورخ) يمكن أن يغير قواعد اللعبة بشكل حقيقي. صمم الباحثون مادة كربونية جديدة، أطلق عليها اسم "N-Flux Carbon"، والتي تعد بتقليل متطلبات الطاقة والتكاليف التشغيلية المرتبطة باحتجاز ثاني أكسيد الكربون بشكل كبير.
نُشرت الدراسة الأسبوع الماضي في مجلة Nature Energy المرموقة في 24 أكتوبر 2023، وتوضح الدراسة بالتفصيل كيف يمكن لهذه المادة المتقدمة التقاط ثاني أكسيد الكربون، والأهم من ذلك، إطلاقه لإعادة استخدامه أو تخزينه باستخدام حرارة قليلة بشكل ملحوظ - على وجه التحديد، في درجات حرارة أقل من ذلك. 60 درجة مئوية. وهذا يعني أن الحرارة المهدرة الصناعية، والتي يتم التخلص منها عادةً، يمكن أن تعمل على تشغيل عملية الالتقاط بأكملها، مما يؤدي إلى تحويل اقتصاديات التخفيف من آثار المناخ. تشرح الدكتورة أنيا شارما، الباحثة الرئيسية، "على مدى عقود من الزمن، كانت عقوبة الطاقة الناجمة عن تجديد المواد الماصة لثاني أكسيد الكربون بمثابة كعب أخيل لاحتجاز الكربون. ويعيد كربون N-Flux تعريف هذا التحدي بشكل أساسي، مما يجعله ليس ممكنًا فحسب، بل جذابًا اقتصاديًا."
الهندسة الدقيقة لحلول المناخ
يكمن الابتكار وراء N-Flux Carbon في الترتيب الدقيق لذرات النيتروجين داخل كربون عالي المسامية. شعرية. وشرح البروفيسور كاي تشين، رئيس مختبر المواد المتقدمة في المعهد الفدرالي السويسري للتكنولوجيا في زيورخ والمؤلف المشارك للدراسة، الخصائص الفريدة للمادة قائلاً: "لقد انتقلنا إلى ما هو أبعد من مجرد تطعيم الكربون بالنيتروجين. ويتمثل إنجازنا في التحكم بدقة في البنية الذرية، وإنشاء "مواقع امتصاص مخصصة" تظهر تقاربًا غير مسبوق لثاني أكسيد الكربون في درجات حرارة منخفضة وإطلاقه بأقل قدر من مدخلات الطاقة. "
إن أنظمة احتجاز الكربون التقليدية القائمة على الأمينات، على الرغم من فعاليتها، تتطلب في كثير من الأحيان. طاقة حرارية كبيرة - عادة 100-150 درجة مئوية - لتجديد المادة الماصة وإطلاق ثاني أكسيد الكربون المحتجز. ويترجم هذا الطلب المرتفع على الطاقة مباشرة إلى تكاليف تشغيلية كبيرة وبصمة كربونية أكبر لعملية الالتقاط نفسها. وعلى النقيض من ذلك، يُظهر N-Flux Carbon كفاءة في احتجاز ثاني أكسيد الكربون عند تركيزات غاز المداخن ودرجة حرارة تجديد منخفضة تصل إلى 55 درجة مئوية. ويترجم هذا إلى انخفاض يقدر بنحو 70% في الطاقة الحرارية اللازمة لتجديد المواد الماصة، وهي قفزة هائلة في الكفاءة.
أظهرت تجارب الفريق أن N-Flux Carbon يمكنه التقاط ما يصل إلى 4.5 ميلي مول من ثاني أكسيد الكربون لكل جرام من المادة في ظل الظروف ذات الصلة بتيارات غاز المداخن الصناعية، مع الحفاظ على أدائه على مدار دورات الالتقاط وإطلاق الإطلاق المتعددة. هذا الأداء القوي، جنبًا إلى جنب مع تجديده في درجات الحرارة المنخفضة، يضع N-Flux Carbon كبديل متفوق للمواد الماصة الحديثة الحالية.
التحول الاقتصادي: جعل التقاطه ميسور التكلفة
إن الآثار الاقتصادية لهذا الاكتشاف عميقة. إن القدرة على استخدام الحرارة المهدرة المنخفضة الدرجة ــ المتوفرة في العديد من العمليات الصناعية، من توليد الطاقة إلى إنتاج الأسمنت ــ تعمل بشكل كبير على خفض النفقات التشغيلية لاحتجاز الكربون. في الوقت الحالي، يمكن أن تتراوح تكلفة احتجاز طن من ثاني أكسيد الكربون من 60 دولارًا إلى أكثر من 100 دولار، ويرجع ذلك إلى حد كبير إلى استهلاك الطاقة. يمكن لـ N-Flux Carbon تقليل تكاليف الطاقة هذه بنسبة 40-60% لمرحلة الالتقاط وحدها، مما يجعل العملية الشاملة أكثر جدوى من الناحية المالية.
"لا يتعلق الأمر بالكفاءة فحسب؛ بل يتعلق بجعل احتجاز الكربون متاحًا وقابلاً للتطوير،" كما يقول الدكتور شارما. "عندما تتمكن من تشغيل نظام احتجاز الكربون الخاص بك بالطاقة التي كانت ستُهدر لولا ذلك، فإنك تزيل حاجزًا اقتصاديًا هائلاً. وهذا يمكن أن يؤدي إلى تسريع نشر تقنيات احتجاز الكربون عبر الصناعات التي كانت تعتبرها في السابق باهظة الثمن أو كثيفة الاستخدام للطاقة. " يمكن أن يكون هذا التحول حاسمًا لتحقيق الأهداف المناخية الطموحة، على النحو المبين من قبل الهيئة الحكومية الدولية المعنية بتغير المناخ، والتي تؤكد على ضرورة احتجاز الكربون على نطاق واسع للحد من ظاهرة الاحتباس الحراري.
ما وراء محطات الطاقة: تطبيقات متعددة الاستخدامات
في حين أن التطبيقات المباشرة لكربون N-Flux هي في بواعث كبيرة المصدر مثل محطات توليد الطاقة بالفحم والغاز الطبيعي، فإن تنوعه يمتد إلى أبعد من ذلك بكثير. ومن الممكن أن تستفيد إلى حد كبير صناعات مثل صناعة الأسمنت والصلب، والتي تنتج كميات كبيرة من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون وتولد أيضاً قدراً كبيراً من الحرارة المهدرة. كما أن طبيعة المادة القوية واحتياجاتها المنخفضة من الطاقة تجعلها أيضًا مرشحًا مثاليًا لتقنيات التقاط الهواء المباشر (DAC)، التي تهدف إلى إزالة ثاني أكسيد الكربون مباشرة من الغلاف الجوي.
إن إمكانية دمج N-Flux Carbon في البيئات الصناعية المتنوعة، إلى جانب فعاليتها من حيث التكلفة، تضعها كتقنية أساسية لمستقبل خالٍ من الكربون. إن قدرته على العمل بكفاءة تحت تركيزات مختلفة من ثاني أكسيد الكربون تعني أنه يمكن تصميمه خصيصًا لتطبيقات مختلفة، بدءًا من غازات المداخن عالية التركيز وحتى التركيزات الأقل بكثير الموجودة في الهواء المحيط.
الطريق من المختبر إلى النطاق الواسع
على الرغم من أن نتائج المختبر واعدة بشكل استثنائي، إلا أن الرحلة من الاكتشاف إلى النشر الصناعي على نطاق واسع معقدة. يركز فريق ETH Zurich الآن على زيادة إنتاج N-Flux Carbon وإجراء اختبارات المتانة طويلة المدى في ظل الظروف الصناعية في العالم الحقيقي. يقول البروفيسور تشين: "تتضمن خطواتنا التالية تطوير مصانع تجريبية وتأمين الشراكات الصناعية لإثبات أداء المادة على مدار آلاف الدورات التشغيلية".
ويتوقع الباحثون أنه مع استمرار التطوير والاستثمار، يمكن أن يكون N-Flux Carbon جاهزًا للنشر التجاري في غضون 5 إلى 7 سنوات القادمة، مما يوفر أداة جديدة قوية في ترسانة البشرية ضد تغير المناخ. ولا يمثل هذا الإنجاز إنجازا علميا فحسب، بل إنه بارقة أمل في مستقبل أكثر استدامة وقابلية للحياة اقتصاديا لإدارة الكربون.
