علماء يتوصلون لطريقة أقل تكلفة وأكثر ذكاء لخفض ثاني أكسيد الكربون

قدّم علماء في كلية الهندسة الكيميائية والبيولوجية الجزيئية (ChBE) التابعة لمعهد جورجيا للتكنولوجيا، طريقة جديدة، تهدف إلى خفض مستويات ثاني أكسيد الكربون (CO₂) في الغلاف الجوي، وهي استراتيجية رئيسية لمواجهة تغيّر المناخ، بحسب تقرير في موقع سايتك ديلي.

وأبرز الموقع أنّه: "على الرغم من ظهور تقنيات مختلفة لالتقاط ثاني أكسيد الكربون من الهواء مباشرة (DAC) في السنوات الأخيرة، إلا أن استخدامها على نطاق واسع كان محدودا بسبب ارتفاع تكاليفها ومتطلبات الطاقة".

وفي دراسة نُشرت مؤخرا في مجلة Energy & Environmental Science، كشف فريق معهد جورجيا للتكنولوجيا عن طريقة أكثر فعالية من حيث التكلفة وكفاءة في استخدام الطاقة لالتقاط ثاني أكسيد الكربون باستخدام هواء بارد جدا ومواد ماصة مسامية متوفرة بكثرة، ما يفتح الباب أمام تطبيق أوسع لالتقاط ثاني أكسيد الكربون من الهواء مباشرة في المستقبل.

تسخير الطاقة المتاحة بالفعل
يتضمن هذا النهج، الذي طُوّر بالتعاون مع باحثين من مختبر أوك ريدج الوطني في تينيسي وجامعة جيونبوك الوطنية وجامعة تشونام الوطنية في كوريا الجنوبية، دمج تقنية تحويل الكربون المباشر إلى غاز مع عملية إعادة تحويل الغاز الطبيعي المسال (LNG). 

ووفقا للدراسة فإنّ: "هذه الخطوة الصناعية، التي تُحوّل الغاز الطبيعي المسال إلى غاز للاستخدام، تُولّد درجات حرارة منخفضة للغاية يُمكن إعادة توظيفها لاحتجاز ثاني أكسيد الكربون بكفاءة".

وأردفت: "يُبرّد الغاز الطبيعي المسال، وهو غاز طبيعي يُحوّل إلى سائل للشحن، ويجب إعادة تسخينه إلى حالة غازية قبل الاستخدام. غالبا ما تستخدم عملية التسخين هذه مياه البحر كمصدر للحرارة، ما يُهدر بشكل أساسي طاقة درجات الحرارة المنخفضة الكامنة في الغاز الطبيعي المسال".

وتابعت: "بدلا من ذلك، وباستخدام الطاقة الباردة من الغاز الطبيعي المسال لتبريد الهواء، ابتكر باحثو معهد جورجيا للتكنولوجيا بيئة مثالية لاحتجاز ثاني أكسيد الكربون باستخدام مواد تُعرف باسم "الماصات الفيزيائية"، وهي مواد صلبة مسامية تمتص الغازات".

"تستخدم معظم أنظمة DAC المستخدمة حاليا موادا أمينية تربط ثاني أكسيد الكربون كيميائيا من الهواء، إلا أنها توفر مساحة مسام محدودة نسبيا لالتقاطه، وتتحلل بمرور الوقت، وتتطلب طاقة كبيرة للعمل بكفاءة. أما الماصات الفيزيائية، فتتميز بعمر افتراضي أطول وامتصاص أسرع لثاني أكسيد الكربون، ولكنها غالبا ما تواجه صعوبة في الظروف الدافئة والرطبة" وفقا للمصدر نفسه.

أيضا، أظهرت الدراسة البحثية أنه عند تبريد الهواء إلى درجات حرارة قريبة من درجات التبريد العميق  لالتقاط ثاني أكسيد الكربون مباشرة من الهواء، يتكثف بخار الماء تقريبا بالكامل من الهواء. وهذا يُمكّن الماصات الفيزيائية من تحقيق أداء أعلى في التقاط ثاني أكسيد الكربون دون الحاجة إلى خطوات باهظة الثمن لإزالة الماء.

وفي السياق ذاته، قال البروفيسور رايان ليفلي من الفريق العلمي المشرف على الدراسة: "هذه خطوة للأمام مثيرة للاهتمام. نحن نُظهر أنه يُمكن التقاط الكربون بتكاليف منخفضة باستخدام البنية التحتية القائمة والمواد الآمنة ومنخفضة التكلفة".

التكلفة وتوفير الطاقة
تشير النمذجة الاقتصادية التي أجراها فريق ليفلي، إلى أنّ: "دمج هذا النهج القائم على الغاز الطبيعي المسال في تقنية الالتقاط المباشر للكربون (DAC) يمكن أن يخفض تكلفة التقاط طن متري واحد من ثاني أكسيد الكربون إلى 70 دولارا أمريكيا، أي ما يعادل ثلث تكلفة طرق الالتقاط المباشر للكربون الحالية، والتي غالبا ما تتجاوز 200 دولار أمريكي للطن".

ومن خلال عمليات المحاكاة والتجارب، حدّد الفريق مادتي زيوليت 13X وCALF-20 كمواد ماصة فيزيائية رائدة في عملية التقطير المباشر للكربون (DAC). يُعد زيوليت 13X مادة مجففة غير مكلفة ومتينة تُستخدم في معالجة المياه، بينما يُعد CALF-20 إطارا معدنيا عضويا (MOF) معروفا بثباته وأدائه في التقاط ثاني أكسيد الكربون من غازات المداخن، ولكن ليس من الهواء.

إلى ذلك، أظهرت هذه المواد امتصاصا قويا لثاني أكسيد الكربون عند درجة حرارة -78 درجة مئوية (وهي درجة حرارة تمثيلية لنظام الالتقاط المباشر للكربون باستخدام الغاز المسال  (LNG-DAC))، مع قدرات أعلى بثلاث مرات تقريبا من تلك الموجودة في المواد الأمينية التي تعمل في الظروف المحيطة. كما أطلقوا ثاني أكسيد الكربون المُلتقط والمُنقى بمدخلات طاقة منخفضة، مما يجعله جذابا للاستخدام العملي.

وبحسب المؤلف الرئيسي سيو يول كيم، باحث ما بعد الدكتوراه في مختبر ليفلي، فإنّه: "إلى جانب سعاتهما العالية لثاني أكسيد الكربون، تتميز كلا المادتين الماصتين الفيزيائيتين بخصائص أساسية مثل انخفاض محتوى الانتزاز الحراري، وكفاءة التكلفة، وقابلية التوسع، والاستقرار طويل الأمد، وكلها ضرورية للتطبيقات العملية".

الاستفادة من البنية التحتية الحالية
تتناول الدراسة أيضا أحد الشواغل الرئيسية المتعلقة بتقنية التقاط ثاني أكسيد الكربون من الهواء مباشرة  (DAC): الموقع. غالبا ما تكون الأنظمة التقليدية الأنسب للبيئات الجافة والباردة. ولكن من خلال الاستفادة من البنية التحتية الحالية للغاز الطبيعي المُسال، يمكن نشر تقنية التقاط ثاني أكسيد الكربون من الهواء مباشرة (DAC) شبه المُبرّد في المناطق الساحلية المعتدلة وحتى الرطبة، مما يوسع بشكل كبير النطاق الجغرافي لإزالة الكربون.

وأضاف ليفلي: "تُعد أنظمة إعادة تحويل الغاز الطبيعي المُسال إلى غاز حاليا مصدرا غير مُستغل للطاقة الباردة، حيث تعمل محطاتها على نطاق واسع في المناطق الساحلية حول العالم". من خلال تسخير ولو جزء بسيط من طاقتها الباردة، يُمكننا التقاط أكثر من 100 مليون طن متري من ثاني أكسيد الكربون سنويا بحلول عام 2050".

وأورد: "في ظل الضغوط المتزايدة التي تواجهها الحكومات والقطاعات الصناعية لتحقيق أهداف صافي الانبعاثات الصفرية، تُقدم حلول مثل تقنية DAC شبه المبرد المقترن بالغاز الطبيعي المسال مسارا واعدا للمضي قدما. تشمل الخطوات التالية للفريق مواصلة تحسين المواد وتصميمات الأنظمة لضمان الأداء والمتانة على نطاقات أوسع".

وأوضح ليفلي: "هذا مثال مثير للاهتمام على كيف يُمكن لإعادة النظر في تدفقات الطاقة في بنيتنا التحتية الحالية أن تؤدي إلى تخفيضات منخفضة التكلفة في البصمة الكربونية".

وأظهرت الدراسة أيضا إمكانية استخدام مجموعة موسعة من المواد في تقنية DAC. وبينما لا يُمكن استخدام سوى مجموعة فرعية صغيرة من المواد في درجات الحرارة المحيطة، فإن العدد القابل للتطبيق ينمو بشكل كبير في درجات الحرارة شبه المبردة.

وقال المؤلف المشارك في الدراسة، ماثيو ريلف، إنّ: "العديد من المواد الماصة الفيزيائية التي استُبعدت سابقا من تقنية DAC تُصبح قابلة للتطبيق فجأة عند انخفاض درجة الحرارة. يفتح هذا المجال أمام تصميم جديد كليا لمواد احتجاز الكربون".

المصدر: عربي21