اختراق في علوم المواد
كشف فريق تعاوني من العلماء عن مادة كربونية ثورية يمكن أن تقلل بشكل كبير من التكلفة ومتطلبات الطاقة لتكنولوجيا احتجاز الكربون، وهي أداة حاسمة في المعركة العالمية ضد تغير المناخ. نُشر البحث الأسبوع الماضي في مجلة Nature Communications المرموقة، ويحدد نهجًا جديدًا لتصميم مواد ماصة قائمة على الكربون يمكنها انتزاع ثاني أكسيد الكربون من الانبعاثات الصناعية وإطلاقه باستخدام الحد الأدنى من الطاقة، ومن المحتمل أن يعمل على الحرارة المهدرة.
بقيادة الدكتورة أنيا شارما، عالمة كيمياء المواد في مختبر شمال غرب المحيط الهادئ الوطني (PNNL)، والدكتور بن كارتر، أستاذ الهندسة الكيميائية في جامعة كاليفورنيا، بيركلي، الفريق. صممت فئة جديدة من مواد ماصة الكربون المسامية المشبعة بالنيتروجين (NPCS). وعلى عكس المواد التقليدية، يكمن التقدم في التحكم الدقيق في كيفية دمج ذرات النيتروجين وترتيبها داخل بنية الكربون على المستوى الجزيئي. أوضح الدكتور شارما: "لقد اكتشفنا أن ترتيبات محددة من ذرات النيتروجين تخلق "مواقع نشطة" لا تربط ثاني أكسيد الكربون بقوة أكبر فحسب، بل تطلقه أيضًا بمدخلات طاقة أقل بكثير مما كان يعتقد سابقًا".
وتتمثل إحدى أهم النتائج في أن بعض أنواع NPCS يمكنها التقاط ثاني أكسيد الكربون ثم إطلاقه عند درجات حرارة أقل من 60 درجة مئوية. يعد هذا تحسنًا كبيرًا مقارنة بأنظمة الالتقاط الحالية القائمة على الأمينات، والتي تتطلب عادةً التسخين إلى 100-120 درجة مئوية، مما يستهلك جزءًا كبيرًا من الطاقة التي تنتجها محطات الطاقة ذاتها التي تحاول إزالة الكربون منها.
قوة الهندسة الدقيقة
لا يقتصر الابتكار على العثور على مادة جديدة فحسب؛ يتعلق الأمر بمخطط جديد لتصميم المواد. استخدم الباحثون مزيجًا من النمذجة الحسابية المتقدمة والتوليف التجريبي لضبط البنية الجزيئية لمواد ماصة الكربون الخاصة بهم. ومن خلال التنويع المنهجي لأنواع ومواضع ذرات النيتروجين - مثل النيتروجين البيريديني والبيرولي والجرافيتي - تمكنوا من تحديد التكوينات المثالية التي تعمل كمصائد ثاني أكسيد الكربون عالية الكفاءة.
تُعد إمكانية الإطلاق في درجات الحرارة المنخفضة هذه بمثابة تغيير جذري لقواعد اللعبة. تنتج صناعات مثل الأسمنت والصلب والتصنيع الكيميائي كميات هائلة من ثاني أكسيد الكربون، ولكنها تولد أيضًا كميات كبيرة من الحرارة المهدرة منخفضة الدرجة، والتي تقل غالبًا عن 100 درجة مئوية. إن تقنيات احتجاز الكربون الحالية تستهلك الكثير من الطاقة بحيث لا يمكنها الاستفادة بشكل فعال من هذه الحرارة المهدرة. يمكن لمادة NPCS الجديدة أن تغير ذلك، مما يسمح لمرافق احتجاز الكربون بالعمل على الطاقة الحرارية المهملة، مما يقلل بشكل كبير من تكاليف التشغيل. قال الدكتور كارتر: "تخيل مستقبلًا لا تلتقط فيه المنشآت الصناعية انبعاثاتها فحسب، بل تفعل ذلك عن طريق إعادة تدوير الحرارة المهدرة الخاصة بها. وهذه المادة تقرب هذه الرؤية كثيرًا من الواقع".
معالجة نقطة ضعف احتجاز الكربون
لسنوات عديدة، كانت التكلفة الباهظة وعقوبات الطاقة المرتفعة بمثابة العقبات الرئيسية أمام التبني الواسع النطاق لتقنيات احتجاز الكربون واستخدامه وتخزينه (CCUS). على الرغم من فعاليتها في إزالة ثاني أكسيد الكربون من غازات المداخن، إلا أن خطوة التجديد - حيث يتم إطلاق ثاني أكسيد الكربون المحتجز من المادة الماصة لعزله أو إعادة استخدامه - تستهلك الكثير من الطاقة، وغالبًا ما تمثل 70-80% من إجمالي التكلفة التشغيلية.
يعالج اكتشاف فريق PNNL وجامعة كاليفورنيا في بيركلي نقطة الضعف هذه بشكل مباشر. ومن خلال تقليل الطاقة اللازمة للتجديد بما يقدر بنحو 30-50% مقارنة بالطرق التقليدية، تعد مواد NPCS بتخفيض كبير في نفقات التشغيل الإجمالية. علاوة على ذلك، فإن المواد الكربونية بشكل عام أكثر استقرارًا وأقل عرضة للتحلل من المحاليل الأمينية السائلة، مما يوفر عمرًا أطول ويقلل تكاليف الصيانة لمرافق الالتقاط.
تمهيد الطريق لمستقبل أكثر خضرة
تمتد آثار هذا البحث إلى ما هو أبعد من المنشآت الصناعية الفردية. ويعتبر احتجاز الكربون على نطاق واسع وفعال من حيث التكلفة أمرا ضروريا لتحقيق أهداف المناخ العالمي، بما في ذلك تلك المنصوص عليها في اتفاق باريس. إذا تم توسيع نطاق هذه التكنولوجيا بنجاح، فإنها يمكن أن تفتح إمكانيات جديدة لإزالة الكربون من القطاعات التي يصعب تخفيفها والتي تفتقر حاليًا إلى بدائل قابلة للتطبيق.
د. علقت لينا هانسن، مديرة سياسة المناخ في مجلس البيئة العالمي، على التأثير المحتمل: "هذا هو بالضبط نوع الابتكار الذي نحتاجه لتسريع انتقالنا إلى اقتصاد صافي الصفر. ومن خلال جعل احتجاز الكربون أقل تكلفة وأكثر كفاءة في استخدام الطاقة، يمكن لهذه المادة الجديدة أن تجعل احتجاز الكربون واستخدامه واستخدامه حلاً أكثر جاذبية وقابلية للنشر على مستوى العالم، خاصة بالنسبة للدول التي تكافح مع العبء الاقتصادي للعمل المناخي."
بينما لا يزال الباحثون في مرحلة المختبر، فإن الباحثين متفائلون بشأن الطريق إلى التسويق. وتشمل الخطوات التالية زيادة إنتاج المواد، وإجراء اختبارات تجريبية في البيئات الصناعية في العالم الحقيقي، وزيادة تحسين المواد لتطبيقات محددة. إن الوعد باستخدام الحرارة المهدرة لمعالجة انبعاثات الكربون يوفر اتجاهًا جديدًا قويًا لتكنولوجيا المناخ، مما قد يعيد تشكيل المشهد الاقتصادي لإزالة الكربون الصناعي لعقود قادمة.
