Тревога по поводу растущего применения гиперветвистого аминокремнезёма связана не столько с самой технологией, сколько со сроками её внедрения. Мы знаем эту историю наизусть. Уровни углекислого газа растут. Климатологи сходятся во мнении, что люди являются главным фактором этого процесса, даже если вы всё ещё слышите аргументы о том, что это естественный цикл. Мы плывём по этой волне, нравится нам это или нет. Чтобы замедлить этот дрейф, исследователи ищут топлива, которые не выделяют CO2 так, как бензин.
Биотоплива, такие как целлюлозный этанол из кукурузы или мискантуса, помогают. Они сокращают выбросы на 85 процентов по сравнению с ископаемым топливом. Это значительный результат. Но это не ноль. Водород чище. Сожгите его в двигателе, и единственным продуктом будет вода. Электричество от ветра или солнца ещё лучше, так как оно не производит выбросов в точке использования. Подвох заключается в степени зрелости этих технологий. Они всё ещё находятся на стадии разработки. Им приходится преодолевать серьёзные препятствия, такие как высокие затраты и низкое нетто-энергетическое соотношение. Вы вкладываете больше энергии для производства топлива, чем получаете от его сжигания.
Нефть по-прежнему управляет миром. Она питает самолёты, грузовики и электростанции. Она доминирует в мировой экономике. Поэтому вопрос становится очевидным. Если мы пока не можем отказаться от нефти, почему бы не улавливать CO2, который она выделяет?
Именно это и исследуют профессор Крис Джонс и его команда в Технологическом институте Джорджии. Они разработали материал под названием гиперветвистый аминокремнезём (HAS). Он улавливает и хранит выбросы углекислого газа. Большой вопрос остаётся открытым. Увидим ли мы скоро выхлопные трубы из этого материала? И что именно представляет собой HAS?
Понимание гиперветвистого аминокремнезёма
Название громоздкое, но концепция проста. HAS — это химическая структура, предназначенная для захвата молекул CO2. Он действует как губка для выбросов углерода. Команда в Технологическом институте Джорджии спроектировала этот конкретный материал, чтобы закрыть разрыв между текущей зависимостью от нефти и необходимостью снижения выбросов парниковых газов. Это не замена топлива. Это стратегия контроля выбросов.
Материал работает, взаимодействуя с выхлопными газами. Вместо того чтобы позволять CO2 улетучиваться в атмосферу, HAS связывается с ним. Этот процесс хранит углерод в стабильной форме. Он предотвращает попадание газа, способствующего парниковому эффекту. Технология всё ещё находится на исследовательской стадии. Это не то, что можно установить на ваш текущий автомобиль сегодня. Но она представляет собой сдвиг в том, как мы думаем о двигателях внутреннего сгорания.
Почему акцент делается на улавливании, а не на преобразовании? Потому что инфраструктура для нефти слишком укоренилась, чтобы заменить её за одну ночь. Изменение всей глобальной цепочки поставок от сырой нефти к водороду или возобновляемой электроэнергии занимает десятилетия. Улавливание выбросов на источнике предлагает мост. Это позволяет существующим системам работать с меньшим климатическим следом.
Наука, лежащая в основе HAS, опирается на его химический состав. Часть «аминокремнезём» относится к кремний-кислородным связям с присоединёнными аминогруппами. Эти аминогруппы реакционноспособны. Они имеют высокое сродство к углекислому газу. «Гиперветвистая» структура увеличивает площадь поверхности, доступную для этих реакций. Большая площадь поверхности означает больше улавливаемого CO2 на единицу материала. Эта эффективность критически важна для обеспечения жизнеспособности технологии в автомобильных приложениях.
Практические проблемы улавливания углерода
В инженерном деле нет бесплатного обеда. HAS сталкивается с теми же препятствиями, что и другие технологии альтернативного топлива. Стоимость — самый большой барьер. Производство специализированного химического
Почему электростанции превосходят автомобили по выбросам углерода
Давайте разберёмся с математикой. Вы можете предположить, что выхлопная труба — главная проблема. Но это не так. В США уголь обеспечивает 50 процентов энергии, питающей энергосистему. В глобальном масштабе производство электроэнергии отвечает за 26 процентов выбросов CO2. А транспорт? Всего 13 процентов. Автомобили — это симптом. Трубы — это источник.
Именно поэтому доктор Крис Джонс из Технологического института Джорджии не смотрит на ваш выхлоп. Он изучает дымовые газы, выходящие из промышленных труб. Речь идёт о материале под названием гиперветвистый аминокремнезём (HAS). Он выглядит как белый песок. Это порошок. Но внутри его структура сложна.
Джонс и его команда использовали ковалентные связи, чтобы связать амины (органические соединения на основе азота) с кремнезёмом (кварцем). В результате образуется древовидная структура с множеством ветвей. На концах этих ветвей находятся аминогруппы. Эти группы предназначены для захвата молекул CO2 и удержания их.
Как работает процесс улавливания
Когда дымовой газ проходит через это соединение, CO2 задерживается. Он прилипает. Он не улетучивается. Чтобы вернуть его, необходимо нагреть материал. После высвобождения углекислый газ можно улавливать и хранить. Это называется секвестрированием углерода.
Но дело не только в захоронении газа. Есть и практическое применение. В Луизиане компания выращивает водоросли для производства биотоплива. Они подают водорослям уловленный CO2. Водоросли растут. Топливо производится. Цикл повторяется.
Этот подход имеет явные преимущества перед старыми методами. Во-первых, он перерабатываем. Команда из Технологического института Джорджии протестировала одну партию 12 раз. Заметного снижения адсорбционной способности не наблюдалось. Во-вторых, он хорошо справляется с влажностью. В дымовых газах всегда присутствует водяной пар, что обычно сводит на нет другие методы улавливания. HAS на это не реагирует. Наконец, энергозатраты низкие. Единственная необходимая энергия — это тепло, требуемое для последующего высвобождения CO2.
Инженерные препятствия
Пока это не идеальное решение. Существуют точки трения. Реакция между CO2 и аминогруппами выделяет тепло. Материал лучше всего работает при низких температурах. Поэтому инженеры сталкиваются с проблемой терморегуляции. Им нужно быстро отводить выделяющееся тепло, чтобы связывание оставалось эффективным.
Затем есть вопрос физического применения. Как поместить это в трубу? Заполнить её, как песком? Создать съёмные диски, которые герметизируют отверстия в трубе? Это практические инженерные вопросы, которые пока остаются открытыми.
Итог
Будет ли у вашего автомобиля выхлопная труба с HAS? Скорее всего, нет. Хранение углерода от каждого отдельного автомобиля слишком дорого и неэффективно. Масштаб не тот.
Но если Технологический институт Джорджии сможет очистить трубы, влияние будет огромным. Вы нацеливаетесь на крупнейший источник выбросов, а не на наименьший. Это другая стратегия. Это более масштабный шаг. И если они смогут решить проблемы с теплом и применением, это станет жизнеспособным путём к снижению глобального уровня CO2. Водоросли в Луизиане уже растут. Вопрос в том, последуют ли за ними трубы.
