Καθώς το διοξείδιο του άνθρακα συνεχίζει να συσσωρεύεται στην ατμόσφαιρα της Γης, ερευνητικές ομάδες σε όλο τον κόσμο έχουν αφιερώσει χρόνια αναζητώντας τρόπους για την αποτελεσματική απομάκρυνση του αερίου από τον αέρα.
Εν τω μεταξύ, η νούμερο ένα «καταβόθρα» στον κόσμο για το διοξείδιο του άνθρακα από την ατμόσφαιρα είναι ο ωκεανός, ο οποίος απορροφά περίπου το 30 έως 40% του συνόλου του αερίου που παράγεται από τις ανθρώπινες δραστηριότητες.
Πρόσφατα, η δυνατότητα απομάκρυνσης του διοξειδίου του άνθρακα απευθείας από το νερό των ωκεανών προέκυψε ως μια άλλη πολλά υποσχόμενη δυνατότητα για τον μετριασμό των εκπομπών CO2, που θα μπορούσε δυνητικά κάποια μέρα να οδηγήσει ακόμη και σε συνολικές καθαρές αρνητικές εκπομπές.
Όμως, όπως και τα συστήματα σύλληψης αέρα, η ιδέα δεν έχει ακόμη οδηγήσει σε κάποια ευρεία χρήση, αν και υπάρχουν μερικές εταιρείες που επιχειρούν να εισέλθουν σε αυτόν τον τομέα.
Τώρα, μια ομάδα ερευνητών στο MIT λέει ότι μπορεί να έχουν βρει το κλειδί για έναν πραγματικά αποτελεσματικό και φθηνό μηχανισμό αφαίρεσης.
Τα ευρήματα μπορεί να τα διαβάσουμε στο περιοδικό Energy and Environmental Science, σε μια εργασία των καθηγητών του MIT Τ. Άλαν Χάττον και Κρίπα Βαρανάσι, του μεταδιδακτορικού Σεομι Κιμ και μεταπτυχιακών φοιτητών Μίκαελ Νιτζε, Σίμον Ρούφερ και Τζακ Λέικ.
Οι υπάρχουσες μέθοδοι για την απομάκρυνση του διοξειδίου του άνθρακα από το θαλασσινό νερό εφαρμόζουν μια τάση σε μια στοίβα μεμβρανών για να οξινίσουν ένα ρεύμα τροφοδοσίας με διάσπαση νερού. Αυτό μετατρέπει τα διττανθρακικά στο νερό σε μόρια CO2, τα οποία μπορούν στη συνέχεια να αφαιρεθούν υπό κενό.
Ο Χάττον, ο οποίος είναι καθηγητής Χημικής Μηχανικής Ράλφ Λάντρο, σημειώνει ότι οι μεμβράνες είναι ακριβές και ότι απαιτούνται χημικά για να οδηγήσουν τις συνολικές αντιδράσεις των ηλεκτροδίων σε κάθε άκρο της στοίβας, προσθέτοντας περαιτέρω το κόστος και την πολυπλοκότητα των διεργασιών.
«Θέλαμε να αποφύγουμε την ανάγκη εισαγωγής χημικών στα ημικύτταρα ανόδου και καθόδου και να αποφύγουμε τη χρήση μεμβρανών αν είναι δυνατόν», λέει.
Η ομάδα κατέληξε σε μια αναστρέψιμη διαδικασία που αποτελείται από ηλεκτροχημικά κύτταρα χωρίς μεμβράνη. Τα αντιδραστικά ηλεκτρόδια χρησιμοποιούνται για την απελευθέρωση πρωτονίων στο θαλασσινό νερό που τροφοδοτείται στα κύτταρα, οδηγώντας την απελευθέρωση του διαλυμένου διοξειδίου του άνθρακα από το νερό.
Η διαδικασία είναι κυκλική: οξινίζει πρώτα το νερό για να μετατρέψει τα διαλυμένα ανόργανα διττανθρακικά σε μοριακό διοξείδιο του άνθρακα, το οποίο συλλέγεται ως αέριο υπό κενό.
Στη συνέχεια, το νερό τροφοδοτείται σε ένα δεύτερο σύνολο κυττάρων με αντίστροφη τάση, για να ανακτήσει τα πρωτόνια και να μετατρέψει το όξινο νερό ξανά σε αλκαλικό πριν το απελευθερώσει πίσω στη θάλασσα. Περιοδικά, οι ρόλοι των δύο κυττάρων αντιστρέφονται όταν το ένα σύνολο ηλεκτροδίων έχει εξαντληθεί από πρωτόνια (κατά την οξίνιση) και το άλλο έχει αναγεννηθεί κατά την αλκαλοποίηση.
Αυτή η απομάκρυνση του διοξειδίου του άνθρακα και η επανέγχυση αλκαλικού νερού θα μπορούσε σιγά-σιγά να αρχίσει να αναστρέφει, τουλάχιστον τοπικά, την οξίνιση των ωκεανών που έχει προκληθεί από τη συσσώρευση διοξειδίου του άνθρακα, η οποία με τη σειρά της έχει απειλήσει τους κοραλλιογενείς υφάλους και τα οστρακοειδή, λέει ο Βαρανάσι, καθηγητής μηχανολογία.
Η επανέγχυση αλκαλικού νερού θα μπορούσε να γίνει μέσω διάσπαρτων εξόδων ή σε μακρινές ακτές για να αποφευχθεί μια τοπική ακμή αλκαλικότητας που θα μπορούσε να διαταράξει τα οικοσυστήματα, λένε.
«Δεν θα είμαστε σε θέση να αντιμετωπίσουμε τις εκπομπές ολόκληρου του πλανήτη», λέει ο Βαρανάσι. Αλλά η επανέγχυση μπορεί να γίνει σε ορισμένες περιπτώσεις σε μέρη όπως ιχθυοτροφεία, τα οποία τείνουν να οξινίζουν το νερό, επομένως αυτό θα μπορούσε να είναι ένας τρόπος για να αντιμετωπιστεί αυτό το αποτέλεσμα.
Μόλις αφαιρεθεί το διοξείδιο του άνθρακα από το νερό, πρέπει να απορριφθεί, όπως συμβαίνει με άλλες διαδικασίες αφαίρεσης άνθρακα. Για παράδειγμα, μπορεί να θαφτεί σε βαθείς γεωλογικούς σχηματισμούς κάτω από τον πυθμένα της θάλασσας ή μπορεί να μετατραπεί χημικά σε μια ένωση όπως η αιθανόλη, η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως καύσιμο μεταφοράς ή σε άλλα εξειδικευμένα χημικά.
«Μπορείτε σίγουρα να εξετάσετε το ενδεχόμενο να χρησιμοποιήσετε το δεσμευμένο CO2 ως πρώτη ύλη για την παραγωγή χημικών ή υλικών, αλλά δεν θα μπορείτε να το χρησιμοποιήσετε όλο ως πρώτη ύλη», λέει ο Χάττον. «Θα ξεμείνετε από αγορές για όλα τα προϊόντα που παράγετε, οπότε ανεξάρτητα από το τι, μια σημαντική ποσότητα του δεσμευμένου CO2 θα πρέπει να θαφτεί υπόγεια».
Αρχικά τουλάχιστον, η ιδέα θα ήταν να συνδυαστούν τέτοια συστήματα με υπάρχουσες ή προγραμματισμένες υποδομές που επεξεργάζονται ήδη θαλασσινό νερό, όπως μονάδες αφαλάτωσης. «Αυτό το σύστημα είναι επεκτάσιμο, ώστε να μπορούμε να το ενσωματώσουμε δυνητικά σε υπάρχουσες διεργασίες που ήδη επεξεργάζονται το νερό των ωκεανών ή έρχονται σε επαφή με το νερό των ωκεανών», λέει ο Βαρανάσι.
Εκεί, η απομάκρυνση του διοξειδίου του άνθρακα θα μπορούσε να είναι μια απλή προσθήκη στις υπάρχουσες διεργασίες, οι οποίες ήδη επιστρέφουν τεράστιες ποσότητες νερού στη θάλασσα και δεν θα απαιτούσε αναλώσιμα όπως χημικά πρόσθετα ή μεμβράνες.
«Με τις μονάδες αφαλάτωσης, αντλείτε ήδη όλο το νερό, οπότε γιατί να μην εγκατασταθείτε εκεί;» λέει ο Βαρανάσι. «Ένα μάτσο κεφαλαιουχικό κόστος που σχετίζεται με τον τρόπο που μετακινείτε το νερό και την άδεια, όλα αυτά που θα μπορούσαν ήδη να ληφθούν υπόψη».
Το σύστημα θα μπορούσε επίσης να εφαρμοστεί από πλοία που θα επεξεργάζονταν νερό καθώς ταξιδεύουν, προκειμένου να συμβάλει στον μετριασμό της σημαντικής συμβολής της κυκλοφορίας των πλοίων στις συνολικές εκπομπές.
Υπάρχουν ήδη διεθνείς εντολές για μείωση των εκπομπών της ναυτιλίας και «αυτό θα μπορούσε να βοηθήσει τις ναυτιλιακές εταιρείες να αντισταθμίσουν ορισμένες από τις εκπομπές τους και να μετατρέψουν τα πλοία σε πλυντήρια ωκεανών», λέει ο Βαρανάσι.
Το σύστημα θα μπορούσε επίσης να εφαρμοστεί σε τοποθεσίες όπως υπεράκτιες πλατφόρμες γεώτρησης ή σε φάρμες υδατοκαλλιέργειας. Τελικά, θα μπορούσε να οδηγήσει στην ανάπτυξη ανεξάρτητων μονάδων αφαίρεσης άνθρακα που θα διανέμονται παγκοσμίως.
Η διαδικασία θα μπορούσε να είναι πιο αποτελεσματική από τα συστήματα σύλληψης αέρα, λέει ο Χάττον, επειδή η συγκέντρωση διοξειδίου του άνθρακα στο θαλασσινό νερό είναι περισσότερο από 100 φορές μεγαλύτερη από ό,τι στον αέρα.
Στα συστήματα άμεσης σύλληψης αέρα είναι πρώτα απαραίτητο να δεσμευτεί και να συγκεντρωθεί το αέριο πριν το ανακτήσει. «Οι ωκεανοί είναι μεγάλες καταβόθρες άνθρακα, ωστόσο, έτσι το βήμα σύλληψης έχει ήδη γίνει για εσάς», λέει. «Δεν υπάρχει βήμα σύλληψης, μόνο απελευθέρωση». Αυτό σημαίνει ότι οι όγκοι του υλικού που πρέπει να χειριστείτε είναι πολύ μικρότεροι, απλοποιώντας ενδεχομένως την όλη διαδικασία και μειώνοντας τις απαιτήσεις αποτυπώματος.
Η έρευνα συνεχίζεται, με έναν στόχο να βρεθεί μια εναλλακτική λύση στο παρόν βήμα που απαιτεί κενό για την απομάκρυνση του διαχωρισμένου διοξειδίου του άνθρακα από το νερό.
Μια άλλη ανάγκη είναι να εντοπιστούν στρατηγικές λειτουργίας για να αποτραπεί η κατακρήμνιση ορυκτών που μπορούν να βρωμίσουν τα ηλεκτρόδια στην κυψέλη αλκαλοποίησης, ένα εγγενές ζήτημα που μειώνει τη συνολική απόδοση σε όλες τις αναφερόμενες προσεγγίσεις.
Ο Χάττον σημειώνει ότι έχει σημειωθεί σημαντική πρόοδος σε αυτά τα θέματα, αλλά ότι είναι ακόμη πολύ νωρίς για να αναφερθούν σχετικά. Η ομάδα αναμένει ότι το σύστημα θα μπορούσε να είναι έτοιμο για ένα πρακτικό έργο επίδειξης εντός περίπου δύο ετών.
«Το πρόβλημα του διοξειδίου του άνθρακα είναι το καθοριστικό πρόβλημα της ζωής μας, της ύπαρξής μας», λέει ο Βαρανάσι. «Σαφώς λοιπόν, χρειαζόμαστε όλη τη βοήθεια που μπορούμε να λάβουμε».
Πηγή: MIT