تُعدّ مصانع الإسمنت، مثل المصنع الموضح هنا، مصدراً رئيسياً لثاني أكسيد الكربون المُسبّب للاحتباس الحراري. لكن يمكن تحويل بعض هذه الملوثات إلى نوع جديد من الوقود. ويمكن تخزين هذا الملح بأمان لعقود أو أكثر.
هذه قصة أخرى ضمن سلسلة تتناول التقنيات والإجراءات الجديدة التي يمكن أن تبطئ تغير المناخ، أو تقلل من آثاره، أو تساعد المجتمعات على التكيف مع عالم سريع التغير.
تساهم الأنشطة التي تُطلق ثاني أكسيد الكربون (CO2)، وهو أحد غازات الدفيئة الشائعة، في ارتفاع درجة حرارة الغلاف الجوي للأرض. ليست فكرة استخلاص ثاني أكسيد الكربون من الهواء وتخزينه جديدة، لكنها صعبة التنفيذ، خاصةً عندما يكون ذلك في متناول الجميع. يُقدم نظام جديد حلاً لمشكلة تلوث ثاني أكسيد الكربون بطريقة مختلفة قليلاً، حيث يُحوّل هذا الغاز المُسبب للاحتباس الحراري كيميائياً إلى وقود.
في 15 نوفمبر، نشر باحثون من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) في كامبريدج نتائجهم الرائدة في مجلة Cell Reports Physical Science.
ينقسم نظامهم الجديد إلى جزأين. يتضمن الجزء الأول تحويل ثاني أكسيد الكربون من الهواء إلى جزيء يُسمى الفورمات لإنتاج الوقود. يحتوي الفورمات، مثل ثاني أكسيد الكربون، على ذرة كربون واحدة وذرتي أكسجين، بالإضافة إلى ذرة هيدروجين واحدة. كما يحتوي الفورمات على عدة عناصر أخرى. استخدمت الدراسة الجديدة ملح الفورمات، المشتق من الصوديوم أو البوتاسيوم.
تعتمد معظم خلايا الوقود على الهيدروجين، وهو غاز قابل للاشتعال يتطلب نقله عبر خطوط أنابيب وخزانات مضغوطة. مع ذلك، يمكن لخلايا الوقود أن تعمل أيضاً بالفورمات. يتمتع الفورمات بمحتوى طاقة مماثل للهيدروجين، وفقاً لما ذكره لي جو، عالم المواد الذي قاد تطوير النظام الجديد. وأشار لي جو إلى أن الفورمات يتميز ببعض المزايا مقارنةً بالهيدروجين، فهو أكثر أماناً ولا يتطلب تخزيناً تحت ضغط عالٍ.
ابتكر باحثون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا خلية وقود لاختبار الفورمات، الذي ينتجونه من ثاني أكسيد الكربون. في البداية، قاموا بخلط الملح بالماء، ثم أدخلوا المزيج إلى خلية الوقود. داخل الخلية، أطلق الفورمات إلكترونات في تفاعل كيميائي. تدفقت هذه الإلكترونات من القطب السالب للخلية إلى القطب الموجب، مُكملةً بذلك دائرة كهربائية. استمر تدفق هذه الإلكترونات - التيار الكهربائي - لمدة 200 ساعة خلال التجربة.
يتفاءل تشن تشانغ، عالم المواد الذي يعمل مع لي في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، بأن فريقه سيكون قادراً على تطوير التكنولوجيا الجديدة على نطاق واسع في غضون عقد من الزمن.
استخدم فريق بحثي من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا طريقة كيميائية لتحويل ثاني أكسيد الكربون إلى عنصر أساسي في إنتاج الوقود. في البداية، عرّضوه لمحلول قلوي شديد التركيز، فاختاروا هيدروكسيد الصوديوم (NaOH)، المعروف باسم الصودا الكاوية. يؤدي هذا إلى تفاعل كيميائي ينتج عنه بيكربونات الصوديوم (NaHCO3)، المعروفة باسم صودا الخبز.
ثم قاموا بتشغيل الطاقة. أدى التيار الكهربائي إلى تفاعل كيميائي جديد أدى إلى انشطار كل ذرة أكسجين في جزيء صودا الخبز، تاركًا وراءه فورمات الصوديوم (NaCHO2). حوّل نظامهم جميع الكربون تقريبًا في ثاني أكسيد الكربون - أكثر من 96 بالمائة - إلى هذا الملح.
تُخزَّن الطاقة اللازمة لإزالة الأكسجين في الروابط الكيميائية للفورمات. وأشار البروفيسور لي إلى أن الفورمات قادر على تخزين هذه الطاقة لعقود دون أن يفقد طاقته الكامنة. ثم يُولِّد الكهرباء عند مروره عبر خلية وقود. وإذا كانت الكهرباء المستخدمة في إنتاج الفورمات مُستمدة من الطاقة الشمسية أو طاقة الرياح أو الطاقة الكهرومائية، فإن الكهرباء المُولَّدة من خلية الوقود ستكون مصدرًا نظيفًا للطاقة.
قال لي إنه لتوسيع نطاق هذه التقنية الجديدة، "نحتاج إلى إيجاد موارد جيولوجية غنية بالصودا الكاوية". وقد درس نوعًا من الصخور يُسمى البازلت القلوي. فعند مزجه بالماء، يتحول هذا النوع من الصخور إلى صودا كاوية.
فرزان كاظميفار مهندس في جامعة سان خوسيه الحكومية بكاليفورنيا. يركز بحثه على تخزين ثاني أكسيد الكربون في التكوينات الملحية الجوفية. ويقول إن إزالة ثاني أكسيد الكربون من الهواء لطالما كانت صعبة ومكلفة. لذا، من المجدي تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى منتجات قابلة للاستخدام مثل الفورمات، حيث يمكن لتكلفة المنتج أن تغطي تكلفة الإنتاج.
أُجريت أبحاثٌ كثيرةٌ حول احتجاز ثاني أكسيد الكربون من الهواء. فعلى سبيل المثال، وصف فريقٌ من العلماء في جامعة ليهاي مؤخرًا طريقةً أخرى لترشيح ثاني أكسيد الكربون من الهواء وتحويله إلى بيكربونات الصوديوم. كما تقوم مجموعاتٌ بحثيةٌ أخرى بتخزين ثاني أكسيد الكربون في صخورٍ خاصة، وتحويله إلى كربونٍ صلبٍ يُمكن معالجته لاحقًا لإنتاج الإيثانول، وهو وقودٌ كحولي. معظم هذه المشاريع صغيرة النطاق، ولم تُحدث بعدُ تأثيرًا ملموسًا في خفض مستويات ثاني أكسيد الكربون المرتفعة في الهواء.
تُظهر هذه الصورة منزلًا يعمل بثاني أكسيد الكربون. يقوم الجهاز الظاهر هنا بتحويل ثاني أكسيد الكربون (الجزيئات الموجودة في الفقاعات الحمراء والبيضاء) إلى ملح يُسمى الفورمات (الفقاعات الزرقاء والحمراء والبيضاء والسوداء). يُمكن استخدام هذا الملح لاحقًا في خلية وقود لتوليد الكهرباء.
قال كاظميفار إن خيارنا الأمثل هو "خفض انبعاثات غازات الاحتباس الحراري أولاً". ومن طرق تحقيق ذلك استبدال الوقود الأحفوري بمصادر الطاقة المتجددة كالطاقة الشمسية وطاقة الرياح. وهذا جزء من عملية تحول يُطلق عليها العلماء اسم "إزالة الكربون". لكنه أضاف أن وقف تغير المناخ يتطلب نهجاً متعدد الجوانب. وأوضح أن هذه التقنية الجديدة ضرورية لالتقاط الكربون في المناطق التي يصعب إزالة الكربون منها، مثل مصانع الصلب ومصانع الإسمنت، على سبيل المثال.
يرى فريق معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا فوائد جمة في دمج تقنيتهم ​​الجديدة مع الطاقة الشمسية وطاقة الرياح. فالبطاريات التقليدية مصممة لتخزين الطاقة لأسابيع متواصلة، بينما يتطلب تخزين الطاقة الشمسية الصيفية حتى الشتاء أو لفترة أطول نهجًا مختلفًا. يقول لي: "مع وقود الفورمات، لم يعد التخزين مقتصرًا حتى على المواسم، بل يمكن أن يمتد لأجيال".
قد لا يلمع كالذهب، لكن "يمكنني أن أترك 200 طن ... من الفورمات لأبنائي وبناتي"، قال لي، "كميراث".
قلوي: صفة تصف مادة كيميائية تُكوّن أيونات الهيدروكسيد (OH-) في المحلول. تُسمى هذه المحاليل أيضًا قلوية (مقابل حمضية) ويكون الرقم الهيدروجيني لها أكبر من 7.
الخزان الجوفي: تكوين صخري قادر على احتواء خزانات المياه الجوفية. وينطبق المصطلح أيضاً على الأحواض الجوفية.
البازلت: صخر بركاني أسود اللون عادة ما يكون كثيفًا جدًا (إلا إذا ترك ثوران بركاني جيوبًا كبيرة من الغاز فيه).
الرابطة: (في الكيمياء) هي رابطة شبه دائمة بين الذرات (أو مجموعات الذرات) في الجزيء. تتشكل هذه الرابطة بفعل قوى التجاذب بين الذرات المشاركة. بمجرد تكوّن الروابط، تعمل الذرات كوحدة واحدة. لفصل الذرات المكونة للجزيء، يجب تزويده بالطاقة على شكل حرارة أو إشعاع آخر.
الكربون: عنصر كيميائي يُشكّل الأساس المادي للحياة على الأرض. يوجد الكربون بحرية في صورة الجرافيت والماس. وهو مُكوّن أساسي للفحم والحجر الجيري والبترول، وقادر على التجمع كيميائيًا لتكوين مجموعة واسعة من الجزيئات ذات القيمة الكيميائية والبيولوجية والتجارية. (في أبحاث المناخ) يُستخدم مصطلح الكربون أحيانًا بشكل شبه مُتبادل مع ثاني أكسيد الكربون للإشارة إلى التأثير المُحتمل لأي إجراء أو منتج أو سياسة أو عملية على الاحترار طويل الأمد للغلاف الجوي.
ثاني أكسيد الكربون (CO2): غاز عديم اللون والرائحة، تنتجه جميع الحيوانات عندما يتفاعل الأكسجين الذي تتنفسه مع الغذاء الغني بالكربون الذي تتناوله. كما يُطلق ثاني أكسيد الكربون عند احتراق المواد العضوية، بما في ذلك الوقود الأحفوري كالنفط والغاز الطبيعي. يُعد ثاني أكسيد الكربون من غازات الدفيئة التي تحبس الحرارة في الغلاف الجوي للأرض. تحوّل النباتات ثاني أكسيد الكربون إلى أكسجين من خلال عملية التمثيل الضوئي، وتستخدم هذه العملية لصنع غذائها.
الأسمنت: مادة رابطة تُستخدم لربط مادتين معًا، مما يؤدي إلى تصلبهما وتحولهما إلى مادة صلبة، أو غراء سميك يُستخدم لربط مادتين معًا. (في مجال البناء) مادة مطحونة ناعمًا تُستخدم لربط الرمل أو الصخور المسحوقة معًا لتشكيل الخرسانة. يُصنع الأسمنت عادةً على شكل مسحوق، ولكن بمجرد أن يتبلل، يتحول إلى عجينة لزجة تتصلب عند جفافها.
المادة الكيميائية: هي مادة تتكون من ذرتين أو أكثر مرتبطة ببعضها بنسبة وبنية ثابتتين. على سبيل المثال، الماء مادة كيميائية تتكون من ذرتي هيدروجين مرتبطتين بذرة أكسجين واحدة، وصيغته الكيميائية هي H₂O. ويمكن استخدام كلمة "كيميائي" كصفة لوصف خصائص المادة الناتجة عن تفاعلات مختلفة بين مركبات متعددة.
الرابطة الكيميائية: هي قوة تجاذب بين الذرات، قوية بما يكفي لجعل العناصر المرتبطة تعمل كوحدة واحدة. بعض الروابط ضعيفة، وبعضها الآخر قوي. ويبدو أن جميع الروابط تربط الذرات من خلال مشاركة الإلكترونات (أو محاولة مشاركتها).
التفاعل الكيميائي: عملية تتضمن إعادة ترتيب جزيئات أو هياكل مادة ما بدلاً من تغيير في الشكل الفيزيائي (على سبيل المثال، من صلب إلى غاز).
الكيمياء: فرع من العلوم يدرس تركيب المواد وبنيتها وخصائصها وتفاعلاتها. يستخدم العلماء هذه المعرفة لدراسة المواد غير المألوفة، ولإنتاج مواد مفيدة بكميات كبيرة، أو لتصميم مواد جديدة مفيدة وإنشائها. (فيما يتعلق بالمركبات الكيميائية) تشير الكيمياء أيضًا إلى صيغة المركب، وطريقة تحضيره، أو بعض خصائصه. يُطلق على العاملين في هذا المجال اسم الكيميائيين. (في العلوم الاجتماعية) قدرة الناس على التعاون والتوافق والاستمتاع بصحبة بعضهم البعض.
التغير المناخي: هو تغير كبير وطويل الأمد في مناخ الأرض. يمكن أن يحدث هذا التغير بشكل طبيعي أو نتيجة للأنشطة البشرية، بما في ذلك حرق الوقود الأحفوري وإزالة الغابات.
إزالة الكربون: تشير إلى التحول المتعمد بعيدًا عن التقنيات والأنشطة ومصادر الطاقة الملوثة التي تُطلق غازات دفيئة كربونية، مثل ثاني أكسيد الكربون والميثان، في الغلاف الجوي. والهدف هو تقليل كمية الغازات الكربونية التي تُساهم في تغير المناخ.
الكهرباء: تدفق الشحنة الكهربائية، والذي ينتج عادةً عن حركة الجسيمات المشحونة سلباً والتي تسمى الإلكترونات.
الإلكترون: جسيم مشحون بشحنة سالبة يدور عادة في المنطقة الخارجية للذرة؛ وهو أيضًا حامل الكهرباء في المواد الصلبة.
المهندس: هو الشخص الذي يستخدم العلوم والرياضيات لحل المشكلات. وعند استخدامه كفعل، يشير مصطلح "مهندس" إلى تصميم جهاز أو مادة أو عملية لحل مشكلة أو تلبية حاجة غير مُلباة.
الإيثانول: هو كحول، يُسمى أيضاً الكحول الإيثيلي، وهو أساس المشروبات الكحولية مثل البيرة والنبيذ والمشروبات الروحية. كما يُستخدم كمذيب ووقود (على سبيل المثال، غالباً ما يُخلط مع البنزين).
المرشح: (اسم) شيء يسمح بمرور بعض المواد ومرور مواد أخرى، تبعًا لحجمها أو خصائصها الأخرى. (فعل) عملية انتقاء مواد معينة بناءً على خصائص مثل الحجم والكثافة والشحنة، إلخ. (في الفيزياء) شاشة أو صفيحة أو طبقة من مادة تمتص الضوء أو الإشعاع أو تمنع بشكل انتقائي مرور بعض مكوناتها.
الفورمات: مصطلح عام يُطلق على أملاح أو إسترات حمض الفورميك، وهو شكل مؤكسد من الأحماض الدهنية. (الإستر هو مركب كربوني يتكون من استبدال ذرات الهيدروجين في بعض الأحماض بمجموعات عضوية معينة. العديد من الدهون والزيوت العطرية هي إسترات طبيعية للأحماض الدهنية).
الوقود الأحفوري: أي وقود، مثل الفحم أو البترول (النفط الخام) أو الغاز الطبيعي، الذي تشكل على مدى ملايين السنين داخل الأرض من البقايا المتحللة للبكتيريا أو النباتات أو الحيوانات.
الوقود: أي مادة تطلق الطاقة من خلال تفاعل كيميائي أو نووي مُتحكم فيه. تُعد أنواع الوقود الأحفوري (الفحم والغاز الطبيعي والنفط) من أنواع الوقود الشائعة التي تطلق الطاقة من خلال تفاعلات كيميائية عند تسخينها (عادةً إلى درجة الاحتراق).
خلية الوقود: جهاز يحول الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية. الوقود الأكثر شيوعاً هو الهيدروجين، والمنتج الثانوي الوحيد له هو بخار الماء.
الجيولوجيا: صفة تصف كل ما يتعلق بالبنية الفيزيائية للأرض، وموادها، وتاريخها، والعمليات التي تحدث عليها. يُطلق على الأشخاص الذين يعملون في هذا المجال اسم الجيولوجيين.
الاحتباس الحراري: هو ارتفاع تدريجي في درجة حرارة الغلاف الجوي للأرض نتيجة لظاهرة الاحتباس الحراري. وينتج هذا التأثير عن زيادة مستويات ثاني أكسيد الكربون، ومركبات الكلوروفلوروكربون، وغازات أخرى في الهواء، ينبعث الكثير منها من الأنشطة البشرية.
الهيدروجين: أخف عنصر في الكون. وهو غاز عديم اللون والرائحة، شديد الاشتعال. يدخل في تركيب العديد من أنواع الوقود والدهون والمواد الكيميائية التي تُكوّن الأنسجة الحية. يتكون من بروتون (النواة) وإلكترون يدور حوله.
الابتكار: (فعل بمعنى يبتكر؛ صفة بمعنى يبتكر) تعديل أو تحسين لفكرة أو عملية أو منتج موجود لجعله أحدث أو أذكى أو أكثر كفاءة أو أكثر فائدة.
الصودا الكاوية: الاسم العام لمحلول هيدروكسيد الصوديوم (NaOH). غالبًا ما تُخلط الصودا الكاوية مع الزيوت النباتية أو الدهون الحيوانية ومكونات أخرى لصنع الصابون الصلب.
عالم المواد: باحث يدرس العلاقة بين التركيب الذري والجزيئي للمادة وخصائصها العامة. قد يقوم علماء المواد بتطوير مواد جديدة أو تحليل المواد الموجودة. يساعد تحليل الخصائص العامة للمادة، مثل الكثافة والقوة ونقطة الانصهار، المهندسين والباحثين الآخرين على اختيار أفضل المواد للتطبيقات الجديدة.
الجزيء: مجموعة من الذرات المتعادلة كهربائياً تمثل أصغر كمية ممكنة من مركب كيميائي. يمكن أن تتكون الجزيئات من نوع واحد من الذرات أو من أنواع مختلفة. على سبيل المثال، يتكون الأكسجين في الهواء من ذرتي أكسجين (O2)، ويتكون الماء من ذرتي هيدروجين وذرة أكسجين واحدة (H2O).
الملوث: مادة تلوث شيئًا ما، كالهواء أو الماء أو الإنسان أو الطعام. بعض الملوثات مواد كيميائية، كالمبيدات الحشرية. وبعضها الآخر إشعاع، بما في ذلك الحرارة أو الضوء الزائد. حتى الأعشاب الضارة والأنواع الغازية الأخرى تُعتبر شكلاً من أشكال التلوث البيولوجي.
قوي: صفة تشير إلى شيء قوي أو فعال للغاية (مثل الجرثومة أو السم أو الدواء أو الحمض).
متجدد: صفة تُشير إلى مورد يمكن تجديده باستمرار (مثل الماء، والنباتات الخضراء، وضوء الشمس، والرياح). وهذا يختلف عن الموارد غير المتجددة، التي لها كمية محدودة ويمكن استنزافها بسهولة. تشمل الموارد غير المتجددة النفط (وأنواع الوقود الأحفوري الأخرى) أو العناصر والمعادن النادرة نسبيًا.