Obawy związane z rosnącym zastosowaniem hiperrozgałęzionej aminokrzemionki mają mniej wspólnego z samą technologią, a bardziej z terminem jej wprowadzenia. Znamy tę historię na pamięć. Poziom dwutlenku węgla rośnie. Klimatolodzy zgadzają się, że głównym czynnikiem tego procesu jest człowiek, nawet jeśli wciąż słyszy się argumenty, że jest to cykl naturalny. Płyniemy na tej fali, czy nam się to podoba, czy nie. Aby spowolnić tę tendencję, badacze szukają paliw, które nie emitują CO2 w takiej ilości jak benzyna.
Pomocne są biopaliwa, takie jak etanol celulozowy z kukurydzy lub miskanta. Redukują emisję o 85 procent w porównaniu z paliwami kopalnymi. To znaczący wynik. Ale to nie jest zero. Wodór jest czystszy. Spal go w silniku, a jedynym produktem będzie woda. Energia elektryczna z wiatru lub słońca jest jeszcze lepsza, ponieważ nie powoduje emisji w miejscu jej wykorzystania. Haczyk tkwi w dojrzałości tych technologii. Są nadal w fazie rozwoju. Muszą pokonać poważne przeszkody, takie jak wysokie koszty i niski wskaźnik zużycia energii netto. Wkładasz więcej energii w produkcję paliwa niż uzyskujesz z jego spalania.
Ropa nadal rządzi światem. Napędza samoloty, ciężarówki i elektrownie. Dominuje w gospodarce światowej. Dlatego pytanie staje się oczywiste. Jeśli nie możemy jeszcze zrezygnować z ropy, dlaczego nie wychwytywać emitowanego przez nią CO2?
Właśnie nad tym bada profesor Chris Jones i jego zespół z Georgia Tech. Opracowali materiał zwany hiperrozgałęzioną krzemionką aminową (HAS). Wychwytuje i przechowuje emisję dwutlenku węgla. Najważniejsze pytanie pozostaje otwarte. Czy wkrótce zobaczymy rury wydechowe wykonane z tego materiału? A czym właściwie jest HAS?
Zrozumienie hiperrozgałęzionej aminokrzemionki
Nazwa jest skomplikowana, ale koncepcja jest prosta. HAS to struktura chemiczna zaprojektowana do wychwytywania cząsteczek CO2. Działa jak gąbka dla emisji dwutlenku węgla. Zespół z Georgia Tech zaprojektował ten konkretny materiał, aby wypełnić lukę pomiędzy obecną zależnością od ropy naftowej a potrzebą ograniczenia emisji gazów cieplarnianych. To nie jest zamiennik paliwa. Jest to strategia kontroli emisji.
Materiał działa poprzez interakcję ze spalinami. Zamiast pozwalać CO2 na ucieczkę do atmosfery, HAS wiąże się z nim. Proces ten powoduje magazynowanie węgla w stabilnej formie. Zapobiega przedostawaniu się gazów, które przyczyniają się do efektu cieplarnianego. Technologia jest wciąż na etapie badań. Nie jest to coś, co można dziś zainstalować w obecnym samochodzie. Oznacza to jednak zmianę sposobu, w jaki myślimy o silnikach spalinowych.
Dlaczego nacisk położony jest na przechwytywanie, a nie transformację? Ponieważ infrastruktura naftowa jest zbyt mocno zakorzeniona, aby można ją było wymienić z dnia na dzień. Zmiana całego globalnego łańcucha dostaw z ropy naftowej na wodór lub energię odnawialną zajmuje dziesięciolecia. Wychwytywanie emisji u źródła stanowi pomost. Dzięki temu istniejące systemy mogą działać przy mniejszym wpływie na klimat.
Nauka stojąca za HAS opiera się na jego składzie chemicznym. Część „aminokrzemionka” odnosi się do wiązań krzem-tlen z przyłączonymi grupami aminowymi. Te grupy aminowe są reaktywne. Mają duże powinowactwo do dwutlenku węgla. Struktura „hiperrozgałęziona” zwiększa powierzchnię dostępną dla tych reakcji. Większa powierzchnia oznacza więcej CO2 wychwyconego na jednostkę materiału. Wydajność ta ma kluczowe znaczenie dla zapewnienia rentowności technologii w zastosowaniach motoryzacyjnych.
Praktyczne wyzwania związane z wychwytywaniem dwutlenku węgla
Na inżynierii nie ma darmowego lunchu. HAS napotyka te same przeszkody, co inne technologie paliw alternatywnych. Największą barierą są koszty. Produkcja specjalistycznych środków chemicznych
Dlaczego elektrownie przewyższają samochody pod względem emisji dwutlenku węgla
Rozwiążmy matematykę. Można założyć, że głównym problemem jest rura wydechowa. Ale to nieprawda. W USA węgiel zapewnia 50 procent energii zasilającej sieć. W skali globalnej wytwarzanie energii elektrycznej odpowiada za 26 procent emisji CO2. A co z transportem? Tylko 13 proc. Samochody są objawem. Źródłem są rury.
Dlatego dr Chris Jones z Georgia Tech nie patrzy na twój układ wydechowy. Zajmuje się badaniami gazów spalinowych wydobywających się z kominów przemysłowych. Mówimy o materiale zwanym hiperrozgałęzioną aminokrzemionką (HAS). Wygląda jak biały piasek. To jest proszek. Ale wewnątrz jego struktura jest złożona.
Jones i jego zespół wykorzystali wiązania kowalencyjne do połączenia amin (związków organicznych na bazie azotu) z krzemionką (kwarcem). Rezultatem jest struktura przypominająca drzewo z wieloma gałęziami. Na końcach tych gałęzi znajdują się grupy aminowe. Grupy te mają za zadanie wychwytywać i zatrzymywać cząsteczki CO2.
Jak działa proces przechwytywania
Kiedy gazy spalinowe przepływają przez to połączenie, CO2 jest wychwytywany. To się klei. To nie znika. Aby go zwrócić, musisz podgrzać materiał. Po uwolnieniu dwutlenek węgla można wychwycić i przechowywać. Nazywa się to sekwestracją węgla.
Ale nie chodzi tylko o zakopanie gazu. Istnieją również praktyczne zastosowania. W Luizjanie firma uprawia glony do produkcji biopaliwa. Zażywiają glony wychwyconym CO2. Algi rosną. Wytwarza się paliwo. Cykl się powtarza.
Podejście to ma wyraźną przewagę nad starszymi metodami. Przede wszystkim nadaje się do recyklingu. Zespół Georgia Tech testował jedną partię 12 razy. Nie zaobserwowano zauważalnego spadku pojemności adsorpcyjnej. Po drugie, dobrze radzi sobie z wilgocią. Spaliny zawsze zawierają parę wodną, co zwykle wyklucza inne metody wychwytywania. HAS nie reaguje na to. Wreszcie koszty energii są niskie. Jedyną wymaganą energią jest ciepło potrzebne do późniejszego uwolnienia CO2.
Przeszkody inżynieryjne
Nie jest to jeszcze rozwiązanie idealne. Są punkty tarcia. Reakcja pomiędzy CO2 i grupami aminowymi wytwarza ciepło. Materiał najlepiej sprawdza się w niskich temperaturach. Dlatego inżynierowie stają przed problemem termoregulacji. Aby wiązanie zachowało skuteczność, muszą szybko odprowadzić powstające ciepło.
Następnie pozostaje kwestia fizycznego zastosowania. Jak to wrzucić do rury? Wypełnić go jak piasek? Tworzyć wyjmowane dyski uszczelniające otwory w rurze? Są to praktyczne pytania inżynieryjne, które pozostają otwarte.
Podsumowanie
Czy Twoje auto będzie wyposażone w układ wydechowy HAS? Najprawdopodobniej nie. Magazynowanie dwutlenku węgla z każdego pojazdu jest zbyt kosztowne i nieefektywne. Skala nie jest taka sama.
Ale jeśli Georgia Tech zdoła oczyścić rury, skutki będą ogromne. Celujesz w największy emiter, a nie najmniejszy. To jest inna strategia. To większy krok. A jeśli uda im się rozwiązać problemy związane z ciepłem i zastosowaniem, będzie to realna droga do zmniejszenia globalnego poziomu CO2. W Luizjanie rosną już glony. Pytanie, czy rury pójdą za nimi.
