تويت
يحاول العلماء تحويل انبعاثات غاز ثاني أُكسيد الكربون إلى شيء ذي قيمة دون استهلاك كميات كبيرة من الطاقة.
بعث البشر في العام 2014 لوحده حوالي 35.9 بليون طن متري من غاز ثاني أُكسيد الكربون إلى الغلاف الجوي، وكان أغلبه ناتجًا عن حرق الفحم والغاز الطبيعي في محطات توليد الكهرباء وصنع الأسمدة والإسمنت والعمليات الصناعية الأخرى.
إذا استطاع الكيميائيون التقاط غاز ثاني أُكسيد الكربون وتحوليه إلى وحدات بنائية للمنتجات الأخرى، كما تفعل الأشجار فإنّه وكما يقول ليندن آرتشر، المهندس الكيميائي في جامعة كورنيل: «لن يكون ثاني أُكسيد الكربون مزعجًا مرة اخرى، بل سيكون نعمة».
وقد حاول العلماء لسنوات تخزين ثاني أُكسيد الكربون الملتقط من المداخن المستعملة في محطات توليد الطاقة الكهربائية والانبعاثات الأخرى، وغالبا عن طريق حقنه عميقًا تحت الأرض، وبدون دعم كبير، فإنّ عملية حبس الكربون هذه باهظة الثمن وربما لا تكون صالحة اقتصاديًا.
حقن ثاني أُكسيد الكربون في آبار النفط القديمة لجلب المزيد من النفط هو أحد التطبيقات ولكنّه ليس كافيًا، وليس واضحًا إذا ما كان يستحق العناء، نظرًا لانخفاض أسعار النفط حاليًا. يأمل مناصرو استخدام الكربون الحصول على منتج ذي قيمة من هذا الناتج والحصول على الربح منه بدلًا من تخزينه. تستخدم التطبيقات الأكثر احتمالية الغاز كمادة خام لصناعة منتجات كيميائية، ويمكن تنقيتها أيضًا باستبدالها ببتروكيمياويات أكثر صداقة للبيئة.
يواجه هؤلاء المناصرون صعوبة كيميائية. إذ أنّ جزيئات ثاني أُكسيد الكربون مستقرة ولا تخزن الكثير من الطاقة في سلاسلها الكيميائية. ويجب على الكيميائيين لاستخدامها أن يضيفوا الطاقة، التي غالبًا ما تكون ناتجةً من الحرارة والتي تتطلب الكهرباء في معظم الأحيان. يقول الكثير من المهندسين والكيميائيين وباحثون آخرون إن التكنلوجيا الحديثة ستغير الصورة.
يأمل بول بونج، عالم في الطاقة ومجموعات البيئة في مؤسسة «XPrize»، بالحصول على جائزة كبيرة عن طريق حلٍّ يمكن أن يحفز مجموعة منوعة من علماء التكنلوجيا.
ستعلن المؤسسة في الأيّام المقبلة عن أكثر من أربعين فريقًا يتنافسون للحصول على جائزة العشرين مليون دولار. الفائز بهذه الجائزة، سيعلن عنه في ربيع 2020، سوف يحبس الكمية الأكبر من الكربون إلى منتج ذي قيمة صافية أعلى، بعض الفرق يأملون تحويله إلى بوليمرات أو وقود لاستبدال الكازولين أو منتجات كيميائية صناعية.
بعبارة أشمل، تنتج كل الشركات المختلفة مركبًا كيميائيًّا واحدًا أو آخر يجعل استخدام الكربون في الصناعة يصنع فرقًا. يقول بونج: «المشكلة أنّه على مقياس مناخ متغير فإنّنا نحتاج حلولًا متعددة».
بينما يتساءل كورنيل آرتشر، وهو من استشاريي «XPrize» أيضًا، فيقول: «السؤال الآن هو كيف يمكن للعاملين في الكيمياء خلق تفاعلات جديدة، وإيجاد طرق لاستخدام ثاني أُكسيد الكربون كمواد وسيطة».
وقد عرضت مجلة «Science Advances» هذا الاسبوع جواب آرتشر: «تولد خلية الوقود الكهرباء بتحويل ثاني أُكسيد الكربون إلى سلع كيميائية».
قام آرتشر وطالبه وجدي السادات ببناء مفاعل نموذجي يجمع ثاني أُكسيد الكربون مع الألمنيوم والأُكسجين لإنتاج الأوكزالات. تستعمل الأوكزالات لصنع الأحماض ومزيلات الصدأ والأصباغ النسيجية والصناعات الكيميائية الأخرى.
يعي آرتشر جيدًا العثرات الناتجة من محاولة إيجاد الكيمياء صديقًا للبيئة بثاني أُكسيد الكربون. إذ يقول: «غالبًا ما تستهلك الكثير من الطاقة ذات التكلفة الباهظة ولكننا نستعيد الطاقة، وهذا يفاجئنا!».
تعمل الخلية على الألمنيوم والهواء. يتفاعل الأُكسجين في الداخل مع القطب الكهربائي المصنوع من الألمنيوم ليشكل ألمنيوم عالي الطاقة، ويكون قادرًا على التفاعل مع ثاني أُكسيد الكربون الناتج. وينتج هذان التفاعلان أوكزالات الألمنيوم.
إنّ خلية الوقود قادرة على التقاط بعض الطاقة من هذه التفاعلات الكيميائية، ورغم أنّ العملية تحتاج بعض الجهد الكهربائي لقيادة التفاعل إلّا أنّها تبدو قادرة على إنتاج طاقة كهربائية أكثر مما تستهلك، ويقول آرتشر: «لأن المعدن قد استُهلك. كما أنّ اختيار المعدن الصحيح هو مفتاح الحل». ركز آرتشر على الألمنيوم لأنه واسع الانتشار وغير مكلف. وحتى لو أنّ الألمنيوم ينتج انبعاثات كربونية، يأمل آرتشر أن نظامه سيلتقط الكربون الكافي داخل الأوكزالات لتعويض ذلك.
تحذر مجموعة كورنيل من وجود تفاعلات كيميائية غير مفهومة بصورة كاملة. النسخ الأولى من خلية الوقود تستخدم مادة مكلفة تدعى السائل المتأين كمحلول موصّل. يقول آرتشر: «على سبيل المثال، إذا كان يلعب دورًا أساسيًا فإنّه لا يمكن استبداله وقد لا يمكن تطبيق التقنية من أساسها».
الأوكزالات هي ناتج مميز كما تفعل الكثير من المواد الكيميائية الناشئة التي تعمل على استعمال الكربون. ولكن بعضها يطمح إلى الكثير. يلتقط المشروع التجريبي «Skyonic» في سان دييغو، انبعاثات الكربون من مصنع الإسمنت ويحوله إلى حجر كلس وحامض.
وتخزن تقنيات «solidia» ثاني أُكسيد الكربون في الخرسانة نفسها. بينما تعمل شركات أخرى في مراحل مختلفة على صنع البلاستك وبدائل للوقود ومواد أولية.
دون اتهام أي مشروع بالتحديد يقول هوارد هيرزوغ، باحث ورئيس مهندسين في معهد ماساشوتس التقني ومناصر لعملية حبس الكربون: «هناك الكثير من الذين يعدون باستخدام الكربون الملتقط، يبدو الأمر جيدًا لكن بشكل ضئيل» ثمّ يضيف: «إنّ ثاني أُكسيد الكربون هو طاقة ضائعة». إنّ الحصول على قيمة من الكربون في صورة سلع كيميائية أو طاقة، دون استهلاك المزيد من الطاقة في مرحلة ما من تصنيع المنتج يعتبر أمرًا شديد الصعوبة. ويقول هيرزوغ: «لا يمكنك أن تربح فيما يتعلق بمسألة الطاقة، كما يخبرنا علم الثرموداينمك».
وعلى الرغم من أنّ هيرزوغ يقر بأن بعض الشركات ربما تربح، فهو لا يزال يشكك بإمكانية استعمال الكربون للحصول على كميات كبيرة من الطاقة. كان قد ألّف في 2005 تقريرًا خاصًّا حول التقاط ثاني أُكسيد الكربون وتخزينه، يستنتج خلال التقرير أنّ استخدام الكربون لا يزال متوقفًا: احتمالية إحداث تغيير كبير في الانبعاثات العالمية صغيرة. حتى الصناعات الكيميائية تستخدم ثاني أُكسيد الكربون لصناعة جميع منتجاتها ولا شيء يجعل أيّ شخص يعتقد أنهم سيوقفون كل الانبعاثات.
تقول كنرا كول مؤلفة مساعدة في «Opus 12» (وهو مطور لمفاعل كهروكيميائي يستعمل مسرعات التفاعل الكيميائية غير المألوفة وكهربائية قابلة للتجديد لتحويل ثاني أُكسيد الكربون إلى وحدات بنائية للبوليمر ومواد كيمائية أخرى) الذي بدأ في كاليفورنيا: «من الجيّد أن نعي أن استخدام الكربون لن يحل مشكلة الانبعاثات العالمية بالكامل»
في حديثها عن «Opus 12»، تقول كول: «إنّه سينافس على جائزة Xprize للكربون». بل ربما لن يحتاج المنتج إلى استهلاك كميات كبيرة من انبعاثات ثاني أُكسيد الكربون، وتقول أيضًا: «إنّ ذلك يعطي التأثيرات البيئية الناتجة عن الاستمرار بالحفر للحصول على الوقود الأحفوري للصناعة البتروكيميائية، إنها تستحق التجربة لاستعمال ثاني أُكسيد الكربون كبديل». وتختم بقولها: «نحن نحتاج طريقة جديدة لنقوم بالصناعة الكيميائية».
بعث البشر في العام 2014 لوحده حوالي 35.9 بليون طن متري من غاز ثاني أُكسيد الكربون إلى الغلاف الجوي، وكان أغلبه ناتجًا عن حرق الفحم والغاز الطبيعي في محطات توليد الكهرباء وصنع الأسمدة والإسمنت والعمليات الصناعية الأخرى.
إذا استطاع الكيميائيون التقاط غاز ثاني أُكسيد الكربون وتحوليه إلى وحدات بنائية للمنتجات الأخرى، كما تفعل الأشجار فإنّه وكما يقول ليندن آرتشر، المهندس الكيميائي في جامعة كورنيل: «لن يكون ثاني أُكسيد الكربون مزعجًا مرة اخرى، بل سيكون نعمة».
وقد حاول العلماء لسنوات تخزين ثاني أُكسيد الكربون الملتقط من المداخن المستعملة في محطات توليد الطاقة الكهربائية والانبعاثات الأخرى، وغالبا عن طريق حقنه عميقًا تحت الأرض، وبدون دعم كبير، فإنّ عملية حبس الكربون هذه باهظة الثمن وربما لا تكون صالحة اقتصاديًا.
حقن ثاني أُكسيد الكربون في آبار النفط القديمة لجلب المزيد من النفط هو أحد التطبيقات ولكنّه ليس كافيًا، وليس واضحًا إذا ما كان يستحق العناء، نظرًا لانخفاض أسعار النفط حاليًا. يأمل مناصرو استخدام الكربون الحصول على منتج ذي قيمة من هذا الناتج والحصول على الربح منه بدلًا من تخزينه. تستخدم التطبيقات الأكثر احتمالية الغاز كمادة خام لصناعة منتجات كيميائية، ويمكن تنقيتها أيضًا باستبدالها ببتروكيمياويات أكثر صداقة للبيئة.
يواجه هؤلاء المناصرون صعوبة كيميائية. إذ أنّ جزيئات ثاني أُكسيد الكربون مستقرة ولا تخزن الكثير من الطاقة في سلاسلها الكيميائية. ويجب على الكيميائيين لاستخدامها أن يضيفوا الطاقة، التي غالبًا ما تكون ناتجةً من الحرارة والتي تتطلب الكهرباء في معظم الأحيان. يقول الكثير من المهندسين والكيميائيين وباحثون آخرون إن التكنلوجيا الحديثة ستغير الصورة.
يأمل بول بونج، عالم في الطاقة ومجموعات البيئة في مؤسسة «XPrize»، بالحصول على جائزة كبيرة عن طريق حلٍّ يمكن أن يحفز مجموعة منوعة من علماء التكنلوجيا.
ستعلن المؤسسة في الأيّام المقبلة عن أكثر من أربعين فريقًا يتنافسون للحصول على جائزة العشرين مليون دولار. الفائز بهذه الجائزة، سيعلن عنه في ربيع 2020، سوف يحبس الكمية الأكبر من الكربون إلى منتج ذي قيمة صافية أعلى، بعض الفرق يأملون تحويله إلى بوليمرات أو وقود لاستبدال الكازولين أو منتجات كيميائية صناعية.
بعبارة أشمل، تنتج كل الشركات المختلفة مركبًا كيميائيًّا واحدًا أو آخر يجعل استخدام الكربون في الصناعة يصنع فرقًا. يقول بونج: «المشكلة أنّه على مقياس مناخ متغير فإنّنا نحتاج حلولًا متعددة».
بينما يتساءل كورنيل آرتشر، وهو من استشاريي «XPrize» أيضًا، فيقول: «السؤال الآن هو كيف يمكن للعاملين في الكيمياء خلق تفاعلات جديدة، وإيجاد طرق لاستخدام ثاني أُكسيد الكربون كمواد وسيطة».
وقد عرضت مجلة «Science Advances» هذا الاسبوع جواب آرتشر: «تولد خلية الوقود الكهرباء بتحويل ثاني أُكسيد الكربون إلى سلع كيميائية».
قام آرتشر وطالبه وجدي السادات ببناء مفاعل نموذجي يجمع ثاني أُكسيد الكربون مع الألمنيوم والأُكسجين لإنتاج الأوكزالات. تستعمل الأوكزالات لصنع الأحماض ومزيلات الصدأ والأصباغ النسيجية والصناعات الكيميائية الأخرى.
يعي آرتشر جيدًا العثرات الناتجة من محاولة إيجاد الكيمياء صديقًا للبيئة بثاني أُكسيد الكربون. إذ يقول: «غالبًا ما تستهلك الكثير من الطاقة ذات التكلفة الباهظة ولكننا نستعيد الطاقة، وهذا يفاجئنا!».
تعمل الخلية على الألمنيوم والهواء. يتفاعل الأُكسجين في الداخل مع القطب الكهربائي المصنوع من الألمنيوم ليشكل ألمنيوم عالي الطاقة، ويكون قادرًا على التفاعل مع ثاني أُكسيد الكربون الناتج. وينتج هذان التفاعلان أوكزالات الألمنيوم.
إنّ خلية الوقود قادرة على التقاط بعض الطاقة من هذه التفاعلات الكيميائية، ورغم أنّ العملية تحتاج بعض الجهد الكهربائي لقيادة التفاعل إلّا أنّها تبدو قادرة على إنتاج طاقة كهربائية أكثر مما تستهلك، ويقول آرتشر: «لأن المعدن قد استُهلك. كما أنّ اختيار المعدن الصحيح هو مفتاح الحل». ركز آرتشر على الألمنيوم لأنه واسع الانتشار وغير مكلف. وحتى لو أنّ الألمنيوم ينتج انبعاثات كربونية، يأمل آرتشر أن نظامه سيلتقط الكربون الكافي داخل الأوكزالات لتعويض ذلك.
تحذر مجموعة كورنيل من وجود تفاعلات كيميائية غير مفهومة بصورة كاملة. النسخ الأولى من خلية الوقود تستخدم مادة مكلفة تدعى السائل المتأين كمحلول موصّل. يقول آرتشر: «على سبيل المثال، إذا كان يلعب دورًا أساسيًا فإنّه لا يمكن استبداله وقد لا يمكن تطبيق التقنية من أساسها».
الأوكزالات هي ناتج مميز كما تفعل الكثير من المواد الكيميائية الناشئة التي تعمل على استعمال الكربون. ولكن بعضها يطمح إلى الكثير. يلتقط المشروع التجريبي «Skyonic» في سان دييغو، انبعاثات الكربون من مصنع الإسمنت ويحوله إلى حجر كلس وحامض.
وتخزن تقنيات «solidia» ثاني أُكسيد الكربون في الخرسانة نفسها. بينما تعمل شركات أخرى في مراحل مختلفة على صنع البلاستك وبدائل للوقود ومواد أولية.
دون اتهام أي مشروع بالتحديد يقول هوارد هيرزوغ، باحث ورئيس مهندسين في معهد ماساشوتس التقني ومناصر لعملية حبس الكربون: «هناك الكثير من الذين يعدون باستخدام الكربون الملتقط، يبدو الأمر جيدًا لكن بشكل ضئيل» ثمّ يضيف: «إنّ ثاني أُكسيد الكربون هو طاقة ضائعة». إنّ الحصول على قيمة من الكربون في صورة سلع كيميائية أو طاقة، دون استهلاك المزيد من الطاقة في مرحلة ما من تصنيع المنتج يعتبر أمرًا شديد الصعوبة. ويقول هيرزوغ: «لا يمكنك أن تربح فيما يتعلق بمسألة الطاقة، كما يخبرنا علم الثرموداينمك».
وعلى الرغم من أنّ هيرزوغ يقر بأن بعض الشركات ربما تربح، فهو لا يزال يشكك بإمكانية استعمال الكربون للحصول على كميات كبيرة من الطاقة. كان قد ألّف في 2005 تقريرًا خاصًّا حول التقاط ثاني أُكسيد الكربون وتخزينه، يستنتج خلال التقرير أنّ استخدام الكربون لا يزال متوقفًا: احتمالية إحداث تغيير كبير في الانبعاثات العالمية صغيرة. حتى الصناعات الكيميائية تستخدم ثاني أُكسيد الكربون لصناعة جميع منتجاتها ولا شيء يجعل أيّ شخص يعتقد أنهم سيوقفون كل الانبعاثات.
تقول كنرا كول مؤلفة مساعدة في «Opus 12» (وهو مطور لمفاعل كهروكيميائي يستعمل مسرعات التفاعل الكيميائية غير المألوفة وكهربائية قابلة للتجديد لتحويل ثاني أُكسيد الكربون إلى وحدات بنائية للبوليمر ومواد كيمائية أخرى) الذي بدأ في كاليفورنيا: «من الجيّد أن نعي أن استخدام الكربون لن يحل مشكلة الانبعاثات العالمية بالكامل»
في حديثها عن «Opus 12»، تقول كول: «إنّه سينافس على جائزة Xprize للكربون». بل ربما لن يحتاج المنتج إلى استهلاك كميات كبيرة من انبعاثات ثاني أُكسيد الكربون، وتقول أيضًا: «إنّ ذلك يعطي التأثيرات البيئية الناتجة عن الاستمرار بالحفر للحصول على الوقود الأحفوري للصناعة البتروكيميائية، إنها تستحق التجربة لاستعمال ثاني أُكسيد الكربون كبديل». وتختم بقولها: «نحن نحتاج طريقة جديدة لنقوم بالصناعة الكيميائية».