De bezorgdheid over de toenemende toepassingen van hypervertakte aminosilica gaat minder over de technologie en meer over de tijdlijn. Wij kennen de oefening. Het kooldioxidegehalte stijgt. Klimaatwetenschappers zijn het erover eens dat de mens een belangrijke factor is, ook al hoor je nog steeds argumenten dat het allemaal een natuurlijke cyclus is. We rijden op die golf, of we het nu leuk vinden of niet. Om de drift te vertragen, zoeken onderzoekers naar brandstoffen die geen CO2 vrijgeven zoals benzine dat doet.
Biobrandstoffen zoals cellulose-ethanol uit maïs of switchgrass helpen. Ze verminderen de uitstoot met wel 85 procent vergeleken met fossiele brandstoffen. Dat is aanzienlijk. Maar het is niet nul. Waterstof is schoner. Verbrand het in een motor en de enige output is water. Elektriciteit uit wind- of zonne-energie is zelfs nog beter omdat deze op het moment van gebruik geen uitstoot veroorzaakt. De vangst is volwassenheid. Deze technologieën worden nog steeds ontwikkeld. Ze worden geconfronteerd met lastige hindernissen zoals hoge kosten en een slechte netto-energieverhouding. Je steekt meer energie in het maken van de brandstof dan je uit het verbranden ervan haalt.
Olie bestuurt nog steeds de wereld. Het drijft de vliegtuigen, de vrachtwagens en de energiecentrales aan. Het domineert de wereldeconomie. De vraag wordt dus duidelijk. Als we nog niet aan olie kunnen ontsnappen, waarom vangen we dan niet de CO2 op die daarbij vrijkomt?
Dat is precies wat professor Chris Jones en zijn team van het Georgia Institute of Technology onderzoeken. Ze ontwikkelden een materiaal genaamd hypervertakte aminosilica (HAS). Het vangt de uitstoot van kooldioxide op en slaat deze op. De grote vraag blijft. Zullen we binnenkort uitlaatpijpen van dit materiaal zien? En wat is HAS precies?
Hypervertakte aminozuren begrijpen
De naam is een hele mond vol, maar het concept is eenvoudig. HAS is een chemische structuur die is ontworpen om CO2-moleculen op te vangen. Het werkt als een spons voor de CO2-uitstoot. Het team van Georgia Tech heeft dit specifieke materiaal ontwikkeld om de kloof te dichten tussen de huidige afhankelijkheid van olie en de behoefte aan lagere uitstoot van broeikasgassen. Het is geen brandstofvervanger. Het is een emissiebeheersingsstrategie.
Het materiaal werkt door interactie met de uitlaatgassen. In plaats van CO2 in de atmosfeer te laten ontsnappen, bindt HAS zich daaraan. Dit proces slaat de koolstof in een stabiele vorm op. Het voorkomt dat het gas bijdraagt aan het broeikaseffect. De technologie bevindt zich nog in de onderzoeksfase. Het is niet iets dat u vandaag op uw huidige voertuig kunt vastschroeven. Maar het vertegenwoordigt een verschuiving in de manier waarop we over verbrandingsmotoren denken.
Waarom focussen op capture in plaats van conversie? Omdat de infrastructuur voor olie te diepgeworteld is om van de ene op de andere dag te vervangen. Het veranderen van de gehele mondiale toeleveringsketen van ruwe olie naar waterstof of hernieuwbare elektriciteit duurt tientallen jaren. Het vastleggen van emissies bij de bron biedt een brug. Het zorgt ervoor dat bestaande systemen kunnen werken met een kleinere klimaatvoetafdruk.
De wetenschap achter HAS is afhankelijk van de chemische samenstelling ervan. Het gedeelte “aminosilica” verwijst naar silicium-zuurstofbindingen waaraan aminegroepen zijn bevestigd. Deze aminegroepen zijn reactief. Ze hebben een hoge affiniteit voor koolstofdioxide. De “hypervertakte” structuur vergroot het oppervlak dat beschikbaar is voor deze reacties. Meer oppervlakte betekent meer CO2 opgevangen per eenheid materiaal. Deze efficiëntie is van cruciaal belang om de technologie levensvatbaar te maken in automobieltoepassingen.
De praktische uitdagingen van koolstofafvang
Er bestaat geen gratis lunch in de techniek. HAS wordt geconfronteerd met dezelfde obstakels als andere alternatieve brandstoftechnologieën. De kosten vormen de grootste barrière. Het produceren van gespecialiseerde chemicaliën
Waarom energiecentrales auto’s verslaan wat betreft CO2-uitstoot
Laten we de wiskunde op een rijtje zetten. Je zou kunnen aannemen dat de uitlaatpijp het grootste probleem is. Dat is het niet. In de VS is steenkool verantwoordelijk voor 50 procent van de energie achter het elektriciteitsnet. Wereldwijd is energieopwekking verantwoordelijk voor 26 procent van de CO2-uitstoot. Vervoer? Slechts 13 procent. Auto’s zijn een symptoom. Schoorstenen zijn de bron.
Dat is de reden waarom Dr. Chris Jones van het Georgia Institute of Technology niet naar uw uitlaat kijkt. Hij kijkt naar de rookgassen die uit industriële schoorstenen komen. Het materiaal in kwestie is hypervertakte aminosilica of HAS. Het lijkt op wit zand. Het is een poeder. Maar van binnen is de structuur complex.
Jones en zijn team gebruikten covalente binding om aminen (organische verbindingen op stikstofbasis) te koppelen aan silica (kwarts). Het resultaat creëert een boomachtige structuur met veel takken. Aan de uiteinden van deze takken bevinden zich aminosites. Deze locaties zijn ontworpen om CO2-moleculen vast te pakken en stevig vast te houden.
Hoe het opnameproces werkt
Wanneer rookgas door deze verbinding stroomt, raakt het CO2 gevangen. Het blijft hangen. Het drijft niet weg. Om het terug te krijgen, moet je het materiaal verwarmen. Eenmaal vrijgekomen kan de kooldioxide worden opgevangen en opgeslagen. Dit is koolstofopslag.
Maar het gaat niet alleen om het begraven van het gas. Er is een gebruiksscenario. In Louisiana kweekt een bedrijf algen voor biobrandstof. Ze voeden de door algen opgevangen CO2. De algen groeien. De brandstof is gemaakt. De cyclus herhaalt zich.
Deze aanpak heeft duidelijke voordelen ten opzichte van oudere methoden. Ten eerste is het recyclebaar. Het Georgia Tech-team testte twaalf keer een enkele batch. Er was geen merkbare vermindering van het adsorptievermogen. Ten tweede gaat het goed om met vocht. In de rookgassen is altijd waterdamp aanwezig, waardoor andere afvangmethoden doorgaans ten dode opgeschreven zijn. HAS maakt het niet uit. Tenslotte is de energie-input laag. De enige benodigde energie is de warmte die nodig is om de CO2 later vrij te laten komen.
De technische hindernissen
Het is nog geen perfecte oplossing. Er zijn wrijvingspunten. De reactie tussen CO2 en de amineplaatsen genereert warmte. Het materiaal werkt het beste bij koele temperaturen. De ingenieurs worden dus geconfronteerd met een probleem met het thermisch beheer. Ze moeten de gegenereerde warmte snel verwijderen om de binding efficiënt te houden.
Dan is er de fysieke toepassing. Hoe stop je dit in een schoorsteen? Verpak je het als zand? Maakt u verwijderbare schijven die de stapelopeningen afsluiten? Dit zijn praktische technische vragen die open blijven.
Het eindresultaat
Heeft uw auto een HAS-uitlaat? Waarschijnlijk niet. Het opslaan van koolstof uit elk individueel voertuig is te duur en inefficiënt. De schaal klopt niet.
Maar als Georgia Tech de schoorstenen kan opruimen, is de impact enorm. U richt zich op de grootste bron van emissies, niet op de kleinste. Het is een andere strategie. Het is een grotere schommel. En als ze de warmte- en toepassingsproblemen kunnen oplossen, is dit een haalbare weg om de mondiale CO2-niveaus te verlagen. De algen in Louisiana groeien al. De vraag is of de schoorstenen zullen volgen.
