Cementfabrikker som den her viste er en vigtig kilde til klimaopvarmende kuldioxid. Men nogle af disse forurenende stoffer kan omdannes til en ny type brændstof. Dette salt kan sikkert opbevares i årtier eller længere.
Dette er endnu en historie i en serie, der ser på nye teknologier og handlinger, der kan bremse klimaforandringerne, reducere deres virkninger eller hjælpe lokalsamfund med at håndtere en verden i hastig forandring.
Aktiviteter, der udleder kuldioxid (CO2), en almindelig drivhusgas, bidrager til opvarmning af Jordens atmosfære. Ideen om at udvinde CO2 fra luften og lagre den er ikke ny. Men det er vanskeligt at gøre, især når folk har råd til det. Et nyt system løser problemet med CO2-forurening på en lidt anderledes måde. Det omdanner kemisk den klimaopvarmende gas til brændstof.
Den 15. november offentliggjorde forskere fra Massachusetts Institute of Technology (MIT) i Cambridge deres banebrydende resultater i tidsskriftet Cell Reports Physical Science.
Deres nye system er opdelt i to dele. Den første del involverer omdannelse af kuldioxid fra luften til et molekyle kaldet formiat, der producerer brændstof. Ligesom kuldioxid indeholder formiat et kulstofatom og to iltatomer samt et hydrogenatom. Formiat indeholder også flere andre grundstoffer. Det nye studie anvendte formiatsalt, som er udvundet af natrium eller kalium.
De fleste brændselsceller kører på brint, en brandfarlig gas, der kræver rørledninger og tryktanke for at transportere. Brændselsceller kan dog også køre på formiat. Formiat har et energiindhold, der kan sammenlignes med brint, ifølge Li Ju, en materialeforsker, der ledede udviklingen af ​​det nye system. Formiat har nogle fordele i forhold til brint, bemærkede Li Ju. Det er sikrere og kræver ikke højtrykslagring.
Forskere ved MIT skabte en brændselscelle for at teste formiat, som de producerer fra kuldioxid. Først blandede de saltet med vand. Blandingen blev derefter ført ind i en brændselscelle. Inde i brændselscellen frigav formiatet elektroner i en kemisk reaktion. Disse elektroner flød fra brændselscellens negative elektrode til den positive elektrode og fuldendte et elektrisk kredsløb. Disse flydende elektroner – en elektrisk strøm – var til stede i 200 timer under eksperimentet.
Zhen Zhang, en materialeforsker, der arbejder sammen med Li på MIT, er optimistisk med hensyn til, at hans team vil være i stand til at skalere den nye teknologi inden for et årti.
MIT-forskerholdet brugte en kemisk metode til at omdanne kuldioxid til en nøgleingrediens i brændstofproduktion. Først udsatte de det for en meget alkalisk opløsning. De valgte natriumhydroxid (NaOH), almindeligvis kendt som lud. Dette udløser en kemisk reaktion, der producerer natriumbicarbonat (NaHCO3), bedre kendt som bagepulver.
Så tændte de for strømmen. Den elektriske strøm udløste en ny kemisk reaktion, der splittede hvert iltatom i natronmolekylet og efterlod natriumformiat (NaCHO2). Deres system omdannede næsten alt kulstof i CO2 - mere end 96 procent - til dette salt.
Den energi, der er nødvendig for at fjerne ilten, lagres i formiatets kemiske bindinger. Professor Li bemærkede, at formiat kan lagre denne energi i årtier uden at miste potentiel energi. Det genererer derefter elektricitet, når det passerer gennem en brændselscelle. Hvis den elektricitet, der bruges til at producere formiat, kommer fra sol-, vind- eller vandkraft, vil den elektricitet, der genereres af brændselscellen, være en ren energikilde.
For at opskalere den nye teknologi, sagde Lee, "skal vi finde rige geologiske ressourcer af lud." Han studerede en type bjergart kaldet alkalibasalt (AL-kuh-lud buh-SALT). Når disse bjergarter blandes med vand, omdannes de til lud.
Farzan Kazemifar er ingeniør ved San Jose State University i Californien. Hans forskning fokuserer på lagring af kuldioxid i underjordiske saltformationer. Det har altid været vanskeligt og derfor dyrt at fjerne kuldioxid fra luften, siger han. Så det er rentabelt at omdanne CO2 til brugbare produkter som formiat. Produktets omkostninger kan opveje produktionsomkostningerne.
Der er forsket meget i at opfange kuldioxid fra luften. For eksempel beskrev et team af forskere ved Lehigh University for nylig en anden metode til at filtrere kuldioxid fra luften og omdanne det til bagepulver. Andre forskergrupper lagrer CO2 i specielle bjergarter og omdanner det til fast kulstof, der derefter kan forarbejdes til ethanol, et alkoholholdigt brændstof. De fleste af disse projekter er i lille skala og har endnu ikke haft en væsentlig effekt på at reducere høje niveauer af kuldioxid i luften.
Dette billede viser et hus, der kører på kuldioxid. Apparatet, der er vist her, omdanner kuldioxid (molekylerne i de røde og hvide bobler) til et salt kaldet formiat (de blå, røde, hvide og sorte bobler). Dette salt kan derefter bruges i en brændselscelle til at generere elektricitet.
Kazemifar sagde, at vores bedste mulighed er at "reducere udledningen af ​​drivhusgasser først". En måde at gøre det på er at erstatte fossile brændstoffer med vedvarende energikilder som vind eller sol. Dette er en del af en omstilling, som forskere kalder "dekarbonisering". Men han tilføjede, at det vil kræve en mangesidet tilgang at stoppe klimaforandringerne. Denne nye teknologi er nødvendig for at opfange kulstof i områder, der er vanskelige at dekarbonisere, sagde han. Tag stålværker og cementfabrikker, for at nævne to eksempler.
MIT-teamet ser også fordele i at kombinere deres nye teknologi med sol- og vindenergi. Traditionelle batterier er designet til at lagre energi i ugevis ad gangen. Lagring af sommersollys ind i vinteren eller længere kræver en anden tilgang. "Med formiatbrændstof," sagde Lee, er du ikke længere begrænset til selv sæsonbestemt lagring. "Det kan være generationsbaseret."
Det funkler måske ikke som guld, men "jeg kan efterlade 200 tons ... formiat til mine sønner og døtre," sagde Lee, "som en arv."
Alkalisk: Et adjektiv, der beskriver et kemisk stof, der danner hydroxidioner (OH-) i opløsning. Disse opløsninger kaldes også alkaliske (i modsætning til sure) og har en pH-værdi større end 7.
Grundvandsmagasin: En klippeformation, der kan indeholde underjordiske vandreservoirer. Udtrykket gælder også for underjordiske bassiner.
Basalt: En sort vulkansk bjergart, der normalt er meget tæt (medmindre et vulkanudbrud efterlod store lommer af gas i den).
binding: (i kemi) en semi-permanent forbindelse mellem atomer (eller grupper af atomer) i et molekyle. Den dannes af tiltrækningskræfter mellem de deltagende atomer. Når bindinger er dannet, fungerer atomerne som en enhed. For at adskille de indgående atomer skal molekylerne tilføres energi i form af varme eller anden stråling.
Kulstof: Et kemisk element, der er det fysiske grundlag for alt liv på Jorden. Kulstof findes frit i form af grafit og diamant. Det er en vigtig bestanddel af kul, kalksten og olie og er i stand til kemisk at selv-associere sig og danne en bred vifte af molekyler af kemisk, biologisk og kommerciel værdi. (I klimaforskning) Udtrykket kulstof bruges undertiden næsten i flæng med kuldioxid til at henvise til den potentielle indvirkning, som en handling, et produkt, en politik eller en proces kan have på den langsigtede opvarmning af atmosfæren.
Kuldioxid: (eller CO2) er en farveløs, lugtfri gas, der produceres af alle dyr, når den ilt, de indånder, reagerer med den kulstofrige mad, de spiser. Kuldioxid frigives også, når organisk materiale, herunder fossile brændstoffer som olie eller naturgas, forbrændes. Kuldioxid er en drivhusgas, der fanger varme i Jordens atmosfære. Planter omdanner kuldioxid til ilt gennem fotosyntese og bruger denne proces til at lave deres egen mad.
Cement: Et bindemiddel, der bruges til at holde to materialer sammen, hvilket får det til at hærde til et fast stof, eller en tyk lim, der bruges til at holde to materialer sammen. (Byggeri) Et fintmalet materiale, der bruges til at binde sand eller knust sten sammen for at danne beton. Cement fremstilles normalt som et pulver. Men når det bliver vådt, bliver det til en mudret opslæmning, der hærder, når det tørrer.
Kemisk: Et stof bestående af to eller flere atomer kombineret (bundet) i et fast forhold og struktur. For eksempel er vand et kemisk stof bestående af to hydrogenatomer bundet til et oxygenatom. Dets kemiske formel er H2O. "Kemisk" kan også bruges som et adjektiv til at beskrive et stofs egenskaber, der er et resultat af forskellige reaktioner mellem forskellige forbindelser.
Kemisk binding: En tiltrækningskraft mellem atomer, der er stærk nok til at få de bundne elementer til at fungere som en enhed. Nogle tiltrækningskrafter er svage, andre er stærke. Alle bindinger synes at forbinde atomer ved at dele (eller forsøge at dele) elektroner.
Kemisk reaktion: En proces, der involverer en omorganisering af et stofs molekyler eller strukturer snarere end en ændring i fysisk form (f.eks. fra fast til gasform).
Kemi: den gren af ​​videnskaben, der studerer stoffers sammensætning, struktur, egenskaber og interaktioner. Forskere bruger denne viden til at studere ukendte stoffer, til at reproducere nyttige stoffer i store mængder eller til at designe og skabe nye nyttige stoffer. (af kemiske forbindelser) Kemi refererer også til formlen for en forbindelse, den metode, hvormed den fremstilles, eller nogle af dens egenskaber. Folk, der arbejder inden for dette felt, kaldes kemikere. (inden for samfundsvidenskaberne) menneskers evne til at samarbejde, komme overens og nyde hinandens selskab.
Klimaændringer: En betydelig, langsigtet ændring i Jordens klima. Dette kan forekomme naturligt eller som følge af menneskelige aktiviteter, herunder afbrænding af fossile brændstoffer og skovrydning.
Dekarbonisering: refererer til den bevidste overgang væk fra forurenende teknologier, aktiviteter og energikilder, der udleder kulstofbaserede drivhusgasser, såsom kuldioxid og metan, til atmosfæren. Målet er at reducere mængden af ​​kulstofgasser, der bidrager til klimaændringer.
Elektricitet: Strømmen af ​​elektrisk ladning, normalt som følge af bevægelsen af ​​negativt ladede partikler kaldet elektroner.
Elektron: en negativt ladet partikel, der normalt kredser om den ydre del af et atom; den er også bærer af elektricitet i faste stoffer.
Ingeniør: En person, der bruger videnskab og matematik til at løse problemer. Når ordet ingeniør bruges som et verbum, refererer det til at designe en enhed, et materiale eller en proces til at løse et problem eller et udækket behov.
Ethanol: En alkohol, også kaldet ethylalkohol, der er basis for alkoholholdige drikkevarer såsom øl, vin og spiritus. Den bruges også som opløsningsmiddel og brændstof (for eksempel ofte blandet med benzin).
Filter: (n.) Noget, der tillader nogle materialer at passere og andre at passere, afhængigt af deres størrelse eller andre egenskaber. (v.) Processen med at udvælge bestemte stoffer baseret på egenskaber som størrelse, densitet, ladning osv. (i fysik) En skærm, plade eller lag af et stof, der absorberer lys eller anden stråling eller selektivt forhindrer nogle af dets komponenter i at passere.
Formiat: En generel betegnelse for salte eller estere af myresyre, en oxideret form af en fedtsyre. (En ester er en kulstofbaseret forbindelse dannet ved at erstatte hydrogenatomerne i visse syrer med visse typer organiske grupper. Mange fedtstoffer og æteriske olier er naturligt forekommende estere af fedtsyrer.)
Fossilt brændstof: Ethvert brændstof, såsom kul, råolie eller naturgas, der er dannet over millioner af år inde i Jorden fra forrådnende rester af bakterier, planter eller dyr.
Brændstof: Ethvert stof, der frigiver energi gennem en kontrolleret kemisk eller nuklear reaktion. Fossile brændstoffer (kul, naturgas og olie) er almindelige brændstoffer, der frigiver energi gennem kemiske reaktioner, når de opvarmes (normalt til forbrændingspunktet).
Brændselscelle: En enhed, der omdanner kemisk energi til elektrisk energi. Det mest almindelige brændstof er brint, hvis eneste biprodukt er vanddamp.
Geologi: Et adjektiv, der beskriver alt, der er relateret til Jordens fysiske struktur, dens materialer, historie og de processer, der finder sted på den. Folk, der arbejder inden for dette felt, kaldes geologer.
Global opvarmning: En gradvis stigning i den samlede temperatur i Jordens atmosfære på grund af drivhuseffekten. Effekten er forårsaget af stigende niveauer af kuldioxid, chlorfluorcarboner og andre gasser i luften, hvoraf mange udledes af menneskelige aktiviteter.
Brint: Det letteste grundstof i universet. Som gas er det farveløst, lugtfrit og ekstremt brandfarligt. Det er en bestanddel af mange brændstoffer, fedtstoffer og de kemikalier, der udgør levende væv. Det består af en proton (kernen) og en elektron, der kredser om den.
Innovation: (v. at innovere; adj. at innovere) En justering eller forbedring af en eksisterende idé, proces eller et produkt for at gøre det nyere, smartere, mere effektivt eller mere nyttigt.
Lud: Den generelle betegnelse for natriumhydroxidopløsning (NaOH). Lud blandes ofte med vegetabilske olier eller animalske fedtstoffer og andre ingredienser for at lave en sæbe.
Materialeforsker: En forsker, der studerer forholdet mellem et materiales atomare og molekylære struktur og dets overordnede egenskaber. Materialeforskere kan udvikle nye materialer eller analysere eksisterende. Analyse af et materiales overordnede egenskaber, såsom densitet, styrke og smeltepunkt, kan hjælpe ingeniører og andre forskere med at vælge de bedste materialer til nye anvendelser.
Molekyle: En gruppe af elektrisk neutrale atomer, der repræsenterer den mindst mulige mængde af en kemisk forbindelse. Molekyler kan bestå af én type atom eller forskellige typer atomer. For eksempel består ilt i luft af to iltatomer (O2), og vand består af to hydrogenatomer og et iltatom (H2O).
Forurenende stof: Et stof, der forurener noget, såsom luft, vand, mennesker eller fødevarer. Nogle forurenende stoffer er kemikalier, såsom pesticider. Andre forurenende stoffer kan være stråling, herunder overdreven varme eller lys. Selv ukrudt og andre invasive arter kan betragtes som en form for biofouling.
Potent: Et adjektiv, der refererer til noget, der er meget stærkt eller kraftfuldt (såsom en bakterie, gift, medicin eller syre).
Vedvarende: Et adjektiv, der henviser til en ressource, der kan erstattes på ubestemt tid (såsom vand, grønne planter, sollys og vind). Dette står i kontrast til ikke-vedvarende ressourcer, som har en begrænset forsyning og effektivt kan udtømmes. Ikke-vedvarende ressourcer omfatter olie (og andre fossile brændstoffer) eller relativt sjældne grundstoffer og mineraler.