مواد تغير قواعد اللعبة وتطلق العنان لاحتجاز الكربون بتكلفة منخفضة
زيوريخ ــ كشف العلماء عن مادة كربونية ثورية جديدة تَعِد بخفض تكاليف تكنولوجيا احتجاز الكربون ومتطلبات الطاقة بشكل كبير، وهو عنصر بالغ الأهمية في المعركة العالمية ضد تغير المناخ. تم نشر هذا الاكتشاف في وقت سابق من هذا الشهر، في 24 أكتوبر 2023، في مجلة المواد المتقدمة المرموقة، ويتمحور هذا الإنجاز حول مادة جديدة من الكربون الجرافيتي المشبع بالنيتروجين (NDGC) مصممة لامتصاص ثاني أكسيد الكربون وكفاءة إطلاق لا مثيل لها.
بقيادة الدكتورة أنيا شارما، كيميائية المواد في مبادرة الكربون العالمية في جامعة زيورخ، قام فريق البحث بتصميم ترتيب المواد بدقة. ذرات النيتروجين داخل بنية الكربون المسامية. يسمح هذا الضبط الدقيق للمادة بالتقاط ثاني أكسيد الكربون بشكل انتقائي بكفاءة ملحوظة، والأهم من ذلك، إطلاقه باستخدام طاقة أقل بكثير من التقنيات الحالية. إن الآثار المترتبة على إزالة الكربون الصناعية عميقة، ومن المحتمل أن تؤدي إلى تحويل اقتصاديات العمل المناخي.
ميزة النيتروجين: الهندسة الدقيقة لتحقيق الكفاءة
يكمن الابتكار الأساسي في التكوين المحدد لذرات النيتروجين داخل مادة NDGC. يوضح الدكتور شارما: "لقد اكتشفنا أنه من خلال وضع ذرات النيتروجين بشكل استراتيجي في مواقع معينة داخل شبكة الكربون، يمكننا إنشاء مصائد جزيئية انتقائية للغاية لثاني أكسيد الكربون". "لكن التغيير الحقيقي في قواعد اللعبة هو مدى ضعف ارتباط ثاني أكسيد الكربون في ظل ظروف معينة، مما يسمح بإطلاق طاقة منخفضة بشكل لا يصدق."
تتطلب طرق احتجاز الكربون التقليدية، التي تعتمد غالبًا على المذيبات القائمة على الأمينات، درجات حرارة عالية - عادةً ما بين 120 درجة مئوية و180 درجة مئوية - لتجريد ثاني أكسيد الكربون المحتجز للتخزين أو إعادة الاستخدام. تعد عملية التجديد كثيفة الاستهلاك للطاقة محركًا رئيسيًا للتكلفة وعقبة كبيرة أمام اعتمادها على نطاق واسع. ومع ذلك، تعمل مادة NDGC الخاصة بفريق زيورخ في درجات حرارة منخفضة بشكل ملحوظ. يقول البروفيسور كينجي تاناكا، كبير مؤلفي الدراسة ومدير مبادرة الكربون العالمية: "إن أحد الأشكال المحددة لمواد NDGC الخاصة بنا يلتقط ويطلق ثاني أكسيد الكربون بشكل فعال عند درجات حرارة أقل من 60 درجة مئوية". "وهذا يعني أنه يمكن تجديدها باستخدام الحرارة المهدرة الناتجة عن العمليات الصناعية أو حتى الطاقة الحرارية الشمسية، مما يحتمل أن يقلل من تكلفة الطاقة الناجمة عن احتجاز الكربون بنسبة تصل إلى 75%."
التغلب على العقبات الحالية في تكنولوجيا المناخ
لطالما كانت التكاليف التشغيلية المرتفعة المرتبطة باستهلاك الطاقة بمثابة كعب أخيل لتقنيات احتجاز الكربون واستخدامه وتخزينه (CCUS). على الرغم من الضرورة الملحة التي أبرزتها تقارير الهيئة الحكومية الدولية المعنية بتغير المناخ (IPCC) وأهداف اتفاق باريس، ظلت الجدوى الاقتصادية لمشاريع احتجاز ثاني أكسيد الكربون وتخزينه واسعة النطاق تشكل عائقًا كبيرًا.
تعالج مادة NDGC الجديدة هذا التحدي بشكل مباشر. ومن خلال التخفيض الكبير في الطاقة اللازمة لإطلاق ثاني أكسيد الكربون، يتوقع الباحثون أن التكاليف التشغيلية لاحتجاز الكربون يمكن خفضها بنسبة 50-60٪ مقارنة بالمواد الماصة الرائدة الحالية. أظهرت الاختبارات المعملية المفصلة في منشورهم أن مادة NDGC يمكنها التقاط ما يصل إلى 92% من ثاني أكسيد الكربون من غازات المداخن الصناعية المحاكية، مما يدل على كفاءتها وإمكانية تطبيقها في العالم الحقيقي. ويضيف الدكتور شارما: "هذا ليس مجرد تحسن تدريجي؛ إنه تحول أساسي في كيفية تعاملنا مع اقتصاديات الطاقة الخاصة باحتجاز الكربون". "إنه يجعل المشاريع غير الاقتصادية سابقًا قابلة للحياة فجأة، ويفتح مسارات جديدة لصناعات مثل الأسمنت والصلب وتوليد الطاقة لإزالة الكربون."
من المختبر إلى النطاق الواسع: الطريق إلى الأمام
على الرغم من أن نتائج المختبر واعدة للغاية، فإن الرحلة من الاكتشاف إلى التنفيذ الصناعي تتضمن خطوات مهمة. يركز فريق البحث الآن على زيادة إنتاج مادة NDGC وتحسين أدائها للتشغيل المستمر وطويل الأمد في البيئات الصناعية الصعبة. تشير التقديرات الأولية إلى أن المشاريع التجريبية التي توضح التكنولوجيا يمكن أن تبدأ بشكل واقعي في غضون العامين إلى الثلاثة أعوام القادمة، مع احتمال اعتمادها صناعيًا على نطاق أوسع في غضون خمس إلى سبع سنوات.
يمتد التأثير المحتمل إلى ما هو أبعد من مجرد توفير التكاليف. ومن خلال تمكين استخدام الحرارة المهدرة، يمكن لهذه التكنولوجيا أن تقلل من البصمة الكربونية الإجمالية للمنشآت الصناعية بشكل أكبر، مما يساهم في اقتصاد أكثر دائرية. وبينما يتصارع زعماء العالم مع التحدي الهائل المتمثل في الحد من الانحباس الحراري العالمي بما لا يتجاوز 1.5 درجة مئوية فوق مستويات ما قبل الصناعة، فإن الابتكارات مثل مادة NDGC تقدم أداة جديدة قوية في الترسانة. يمكن أن يكون المخطط الذي وضعه فريق جامعة زيوريخ للجيل القادم من تكنولوجيا المناخ هو الحافز اللازم لتسريع نشر حلول احتجاز الكربون الفعالة والميسورة التكلفة في جميع أنحاء العالم.
