Cementfabriker som den som visas här är en viktig källa till klimatuppvärmande koldioxid. Men en del av dessa föroreningar kan omvandlas till en ny typ av bränsle. Detta salt kan lagras säkert i årtionden eller längre.
Detta är ytterligare en berättelse i en serie som tittar på nya tekniker och åtgärder som kan bromsa klimatförändringarna, minska dess effekter eller hjälpa samhällen att hantera en snabbt föränderlig värld.
Aktiviteter som släpper ut koldioxid (CO2), en vanlig växthusgas, bidrar till att värma upp jordens atmosfär. Idén att utvinna CO2 från luften och lagra den är inte ny. Men det är svårt att genomföra, särskilt när människor har råd med det. Ett nytt system löser problemet med CO2-föroreningar på ett något annorlunda sätt. Det omvandlar kemiskt den klimatuppvärmande gasen till bränsle.
Den 15 november publicerade forskare från Massachusetts Institute of Technology (MIT) i Cambridge sina banbrytande resultat i tidskriften Cell Reports Physical Science.
Deras nya system är uppdelat i två delar. Den första delen innebär att man omvandlar koldioxid från luften till en molekyl som kallas formiat för att producera bränsle. Liksom koldioxid innehåller formiat en kolatom och två syreatomer, samt en väteatom. Formiat innehåller också flera andra grundämnen. Den nya studien använde formiatsalt, som utvinns ur natrium eller kalium.
De flesta bränsleceller drivs med vätgas, en brandfarlig gas som kräver rörledningar och tryckbehållare för att transporteras. Bränsleceller kan dock också drivas med formiat. Formiat har ett energiinnehåll som är jämförbart med vätgas, enligt Li Ju, en materialforskare som ledde utvecklingen av det nya systemet. Formiat har vissa fördelar jämfört med vätgas, noterade Li Ju. Det är säkrare och kräver inte högtryckslagring.
Forskare vid MIT skapade en bränslecell för att testa formiat, som de producerar från koldioxid. Först blandade de saltet med vatten. Blandningen matades sedan in i en bränslecell. Inuti bränslecellen frigjorde formiatet elektroner i en kemisk reaktion. Dessa elektroner flödade från bränslecellens negativa elektrod till den positiva elektroden och slutförde en elektrisk krets. Dessa flödande elektroner – en elektrisk ström – var närvarande i 200 timmar under experimentet.
Zhen Zhang, en materialforskare som arbetar med Li vid MIT, är optimistisk om att hans team kommer att kunna skala upp den nya tekniken inom ett decennium.
MIT-forskargruppen använde en kemisk metod för att omvandla koldioxid till en viktig ingrediens för bränsleproduktion. Först exponerade de den för en starkt alkalisk lösning. De valde natriumhydroxid (NaOH), allmänt känd som lut. Detta utlöser en kemisk reaktion som producerar natriumbikarbonat (NaHCO3), mer känt som bikarbonat.
Sedan slog de på strömmen. Den elektriska strömmen utlöste en ny kemisk reaktion som klyvde varje syreatom i bikarbonatmolekylen och lämnade kvar natriumformiat (NaCHO2). Deras system omvandlade nästan allt kol i CO2 – mer än 96 procent – ​​till detta salt.
Den energi som behövs för att avlägsna syret lagras i formiatets kemiska bindningar. Professor Li noterade att formiat kan lagra denna energi i årtionden utan att förlora potentiell energi. Det genererar sedan elektricitet när det passerar genom en bränslecell. Om elektriciteten som används för att producera formiat kommer från sol-, vind- eller vattenkraft, kommer elektriciteten som genereras av bränslecellen att vara en ren energikälla.
För att skala upp den nya tekniken, sa Lee, ”måste vi hitta rika geologiska resurser av lut.” Han studerade en typ av bergart som kallas alkalibasalt (AL-kuh-lut buh-SALT). När dessa bergarter blandas med vatten omvandlas de till lut.
Farzan Kazemifar är ingenjör vid San Jose State University i Kalifornien. Hans forskning fokuserar på att lagra koldioxid i underjordiska saltformationer. Att avlägsna koldioxid från luften har alltid varit svårt och därför dyrt, säger han. Så det är lönsamt att omvandla koldioxid till användbara produkter som formiat. Produktens kostnad kan kompensera produktionskostnaden.
Det har forskats mycket om att fånga koldioxid från luften. Till exempel beskrev ett forskarteam vid Lehigh University nyligen en annan metod för att filtrera koldioxid från luften och omvandla den till bikarbonat. Andra forskargrupper lagrar koldioxid i speciella bergarter och omvandlar den till fast kol som sedan kan bearbetas till etanol, ett alkoholbränsle. De flesta av dessa projekt är småskaliga och har ännu inte haft någon betydande inverkan på att minska höga halter av koldioxid i luften.
Den här bilden visar ett hus som drivs med koldioxid. Apparaten som visas här omvandlar koldioxid (molekylerna i de röda och vita bubblorna) till ett salt som kallas formiat (de blå, röda, vita och svarta bubblorna). Detta salt kan sedan användas i en bränslecell för att generera elektricitet.
Kazemifar sa att vårt bästa alternativ är att ”minska utsläppen av växthusgaser först”. Ett sätt att göra det är att ersätta fossila bränslen med förnybara energikällor som vind eller sol. Detta är en del av en övergång som forskare kallar ”avkarbonisering”. Men han tillade att det krävs en mångfacetterad strategi för att stoppa klimatförändringarna. Denna nya teknik behövs för att fånga kol i områden som är svåra att avkarbonisera, sa han. Ta stålverk och cementfabriker, för att nämna två exempel.
MIT-teamet ser också fördelar med att kombinera sin nya teknik med sol- och vindkraft. Traditionella batterier är utformade för att lagra energi i veckor i sträck. Att lagra sommarens solljus under vintern eller längre kräver en annan metod. ”Med formiatbränsle”, sa Lee, är man inte längre begränsad till ens säsongslagring. ”Det kan vara generationsövergripande.”
Det kanske inte glittrar som guld, men ”jag kan lämna 200 ton… formiat till mina söner och döttrar”, sa Lee, ”som ett arv.”
Alkalisk: Ett adjektiv som beskriver ett kemiskt ämne som bildar hydroxidjoner (OH-) i lösning. Dessa lösningar kallas även alkaliska (i motsats till sura) och har ett pH-värde större än 7.
Akvifer: En bergformation som kan hålla underjordiska vattenreservoarer. Termen gäller även för underjordiska bassänger.
Basalt: En svart vulkanisk bergart som vanligtvis är mycket tät (såvida inte ett vulkanutbrott lämnat stora gasfickor i den).
bindning: (inom kemi) en semipermanent förbindelse mellan atomer (eller grupper av atomer) i en molekyl. Den bildas av attraktionskrafter mellan de ingående atomerna. När bindningar har bildats fungerar atomerna som en enhet. För att separera de ingående atomerna måste energi i form av värme eller annan strålning tillföras molekylerna.
Kol: Ett kemiskt grundämne som är den fysiska grunden för allt liv på jorden. Kol existerar fritt i form av grafit och diamant. Det är en viktig komponent i kol, kalksten och petroleum, och kan kemiskt självassocieras för att bilda en mängd olika molekyler av kemiskt, biologiskt och kommersiellt värde. (Inom klimatforskning) Termen kol används ibland nästan omväxlande med koldioxid för att hänvisa till den potentiella inverkan som en handling, produkt, policy eller process kan ha på den långsiktiga uppvärmningen av atmosfären.
Koldioxid: (eller CO2) är en färglös, luktfri gas som produceras av alla djur när syret de andas in reagerar med den kolrika mat de äter. Koldioxid frigörs också när organiskt material, inklusive fossila bränslen som olja eller naturgas, förbränns. Koldioxid är en växthusgas som fångar värme i jordens atmosfär. Växter omvandlar koldioxid till syre genom fotosyntes och använder denna process för att tillverka sin egen mat.
Cement: Ett bindemedel som används för att hålla ihop två material, vilket gör att det hårdnar till ett fast ämne, eller ett tjockt lim som används för att hålla ihop två material. (Bygg) Ett finmalet material som används för att binda samman sand eller krossad sten för att bilda betong. Cement tillverkas vanligtvis som ett pulver. Men när det blir vått förvandlas det till en lerig uppslamning som hårdnar när det torkar.
Kemisk: Ett ämne som består av två eller flera atomer som är kombinerade (bundna) i en bestämd proportion och struktur. Till exempel är vatten ett kemiskt ämne som består av två väteatomer bundna till en syreatom. Dess kemiska formel är H2O. "Kemisk" kan också användas som ett adjektiv för att beskriva egenskaperna hos ett ämne som är ett resultat av olika reaktioner mellan olika föreningar.
Kemisk bindning: En attraktionskraft mellan atomer som är tillräckligt stark för att få de bundna elementen att fungera som en enhet. Vissa attraktionskrafter är svaga, andra är starka. Alla bindningar verkar sammankoppla atomer genom att dela (eller försöka dela) elektroner.
Kemisk reaktion: En process som involverar en omorganisering av molekylerna eller strukturerna hos ett ämne snarare än en förändring av fysisk form (t.ex. från fast till gasform).
Kemi: den gren av vetenskapen som studerar ämnens sammansättning, struktur, egenskaper och interaktioner. Vetenskapsmän använder denna kunskap för att studera okända ämnen, för att reproducera användbara ämnen i stora mängder eller för att designa och skapa nya användbara ämnen. (av kemiska föreningar) Kemi hänvisar också till formeln för en förening, metoden med vilken den framställs eller några av dess egenskaper. Människor som arbetar inom detta område kallas kemister. (inom samhällsvetenskaperna) människors förmåga att samarbeta, komma överens och njuta av varandras sällskap.
Klimatförändringar: En betydande, långsiktig förändring av jordens klimat. Detta kan ske naturligt eller som ett resultat av mänskliga aktiviteter, inklusive förbränning av fossila bränslen och avverkning av skogar.
Avkarbonisering: avser den avsiktliga övergången från förorenande teknologier, aktiviteter och energikällor som släpper ut kolbaserade växthusgaser, såsom koldioxid och metan, i atmosfären. Målet är att minska mängden koldioxid som bidrar till klimatförändringar.
Elektricitet: Flödet av elektrisk laddning, vanligtvis ett resultat av rörelsen av negativt laddade partiklar som kallas elektroner.
Elektron: en negativt laddad partikel som vanligtvis kretsar kring atomens yttre del; den är också bärare av elektricitet i fasta ämnen.
Ingenjör: Någon som använder vetenskap och matematik för att lösa problem. När ordet ingenjör används som verb syftar det på att utforma en anordning, ett material eller en process för att lösa ett problem eller ett ouppfyllt behov.
Etanol: En alkohol, även kallad etylalkohol, som är basen för alkoholhaltiga drycker som öl, vin och sprit. Den används också som lösningsmedel och bränsle (till exempel ofta blandad med bensin).
Filter: (n.) Något som låter vissa material passera och andra passera, beroende på deras storlek eller andra egenskaper. (v.) Processen att välja vissa ämnen baserat på egenskaper som storlek, densitet, laddning etc. (inom fysik) En skärm, platta eller lager av ett ämne som absorberar ljus eller annan strålning eller selektivt förhindrar att vissa av dess komponenter passerar.
Formiat: En allmän term för salter eller estrar av myrsyra, en oxiderad form av en fettsyra. (En ester är en kolbaserad förening som bildas genom att ersätta väteatomerna i vissa syror med vissa typer av organiska grupper. Många fetter och eteriska oljor är naturligt förekommande estrar av fettsyror.)
Fossilt bränsle: Alla bränslen, såsom kol, petroleum (råolja) eller naturgas, som bildats under miljontals år inuti jorden från ruttnande rester av bakterier, växter eller djur.
Bränsle: Alla ämnen som frigör energi genom en kontrollerad kemisk eller nukleär reaktion. Fossila bränslen (kol, naturgas och olja) är vanliga bränslen som frigör energi genom kemiska reaktioner när de upphettas (vanligtvis till förbränningspunkten).
Bränslecell: En anordning som omvandlar kemisk energi till elektrisk energi. Det vanligaste bränslet är väte, vars enda biprodukt är vattenånga.
Geologi: Ett adjektiv som beskriver allt som har med jordens fysiska struktur, dess material, historia och de processer som sker på den att göra. Personer som arbetar inom detta område kallas geologer.
Global uppvärmning: En gradvis ökning av jordens atmosfärs totala temperatur på grund av växthuseffekten. Effekten orsakas av ökande nivåer av koldioxid, klorfluorkolväten och andra gaser i luften, av vilka många släpps ut av mänskliga aktiviteter.
Väte: Det lättaste grundämnet i universum. Som gas är det färglöst, luktfritt och extremt brandfarligt. Det är en beståndsdel i många bränslen, fetter och de kemikalier som levande vävnad består av. Det består av en proton (kärnan) och en elektron som kretsar kring den.
Innovation: (v. att förnya; adj. att förnya) En justering eller förbättring av en befintlig idé, process eller produkt för att göra den nyare, smartare, effektivare eller mer användbar.
Lut: Det allmänna namnet för natriumhydroxidlösning (NaOH). Lut blandas ofta med vegetabiliska oljor eller animaliska fetter och andra ingredienser för att göra tvål.
Materialforskare: En forskare som studerar sambandet mellan ett materials atom- och molekylstruktur och dess övergripande egenskaper. Materialforskare kan utveckla nya material eller analysera befintliga. Att analysera ett materials övergripande egenskaper, såsom densitet, hållfasthet och smältpunkt, kan hjälpa ingenjörer och andra forskare att välja de bästa materialen för nya tillämpningar.
Molekyl: En grupp elektriskt neutrala atomer som representerar den minsta möjliga mängden av en kemisk förening. Molekyler kan bestå av en typ av atom eller olika typer av atomer. Till exempel består syret i luft av två syreatomer (O2), och vatten består av två väteatomer och en syreatom (H2O).
Förorening: Ett ämne som förorenar något, såsom luft, vatten, människor eller livsmedel. Vissa föroreningar är kemikalier, såsom bekämpningsmedel. Andra föroreningar kan vara strålning, inklusive överdriven värme eller ljus. Även ogräs och andra invasiva arter kan betraktas som en form av biologisk påväxt.
Potent: Ett adjektiv som hänvisar till något som är mycket starkt eller kraftfullt (såsom en bakterie, gift, medicin eller syra).
Förnybar: Ett adjektiv som hänvisar till en resurs som kan ersättas på obestämd tid (såsom vatten, gröna växter, solljus och vind). Detta står i kontrast till icke-förnybara resurser, som har en begränsad tillgång och i praktiken kan utarmas. Icke-förnybara resurser inkluderar olja (och andra fossila bränslen) eller relativt sällsynta grundämnen och mineraler.