جذب مستقیم کربن با نانومواد MOF

مقدمه و بررسی اولیه

ضرورت گریزناپذیر حذف دی‌اکسید کربن و بن‌بست سیستم‌های حرارتی نسل اول

گزارش‌های علمی و اقلیمی دوران معاصر بر یک حقیقت هولناک و انکارناپذیر مهر تأیید زدند: حتی اگر بشر از فردا انتشار تمام گازهای گلخانه‌ای در صنایع، حمل‌ونقل و نیروگاه‌ها را به صفر مطلق برساند، غلظت کربن دی‌اکسید انباشته‌شده در اتمسفر (فراتر از ۴۲۵ پی‌پی‌ام) تا قرن‌ها پدیده‌های جوی ویرانگر، ذوب شدن کلاهک‌های قطبی و اسیدی شدن اقیانوس‌ها را رقم خواهد زد. رسیدن به اهداف توافق‌نامه‌های اقلیمی، مستلزم «انتشار منفی» و استخراج فعالانه میلیاردها تن CO2 مستقیماً از هوای آزاد پیرامون ماست.

با این حال، نسل اول کارخانه‌های جذب مستقیم هوا (DAC) که بر پایه محلول‌های مایع هیدروکسید پتاسیم یا جاذب‌های آمینی جامد کار می‌کردند، با مانع بزرگ بهره‌وری انرژی مواجه بودند. رهاسازی دی‌اکسید کربن از این جاذب‌ها نیازمند حرارت دادن کوره‌ها تا دمای سرسام‌آور ۹۰۰ درجه سانتی‌گراد بود؛ انرژی عظیمی که خود نیازمند سوزاندن گاز یا مصرف بخش عمده برق پاک شبکه بود. همان‌طور که در پژوهش شتاب‌دهی سنتز مواد نوین با هوش مصنوعی و آزمایشگاه‌های خودران تشریح کردیم، عبور از بن‌بست‌های صنعتی نیازمند بازطراحی شیمی مواد در مقیاس اتمی است.

دوران کنونی نقطه عطف بلوغ اسفنج‌های مولکولی کریستالی نوین موسوم به چارچوب‌های فلز-آلی (Metal-Organic Frameworks یا MOFs) در مقیاس تناژ صنعتی است؛ موادی که چرخ‌دنده‌های جذب مستقیم کربن را با کمترین مصرف انرژی به گردش درآورده‌اند.

معماری نانومتری اسفنج‌های MOF و بازسازی در دمای ۸۵ درجه سانتی‌گراد

چارچوب‌های فلز-آلی ساختارهای کریستالی متخلخلی متشکل از گره‌های فلزی هماهنگ‌شده با پل‌های آلی هستند. ویژگی متمایز MOFهای سفارشی دوران معاصر مساحت سطحی فوق‌العاده و هندسه حفرات کنترل‌شده در مقیاس آنگستروم است. یک گرم از این پودر نانویی دارای مساحت سطحی معادل یک زمین فوتبال کامل است! دانشمندان با اتصال گروه‌های عاملی آمینی بر دیواره داخلی این حفرات، تله‌هایی با گزینش‌پذیری ۹۹.۹ درصدی برای مولکول‌های CO2 طراحی کرده‌اند.

هنگامی که هوای محیط از میان لایه‌های این فیلترهای نانویی عبور داده می‌شود، مولکول‌های کربن دی‌اکسید با پیوندهای ضعیف شیمیایی (شیمی‌جذب برگشت‌پذیر) به دام می‌افتند، در حالی که نیتروژن، اکسیژن و بخار آب بدون مانع عبور می‌کنند. بزرگ‌ترین شاهکار این ماده در دمای واجذب آن نهفته است: بر خلاف سیستم‌های پیشین، برای آزاد کردن CO2 خالص به دام افتاده، نیازی به کوره‌های پرمصرف نیست؛ اعمال دمای ملایم بین ۷۵ تا ۸۵ درجه سانتی‌گراد همراه با افت ناچیز فشار (Temperature-Vacuum Swing Adsorption یا TVSA) برای تخلیه کامل گاز کافی است.

این افت چشمگیر دما، امکان بهره‌برداری مستقیم از حرارت اتلافی کم‌ارزش نیروگاه‌های زمین‌گرمایی، خنک‌کننده سرورهای کلاستر هوش مصنوعی و کلکتورهای حرارتی خورشیدی را فراهم کرده و هزینه تمام‌شده جذب هر تن CO2 را از بالای ۶۰۰ دلار به کمتر از ۹۵ دلار رسانده است.

ترسیب دائمی در سنگ بازالت و تبدیل گاز به کلسیت در اعماق زمین

پس از جذب دی‌اکسید کربن خالص، پرسش حیاتی بعدی این است: این گاز خطرناک را چگونه می‌توان برای میلیون‌ها سال بدون خطر نشت ذخیره ساخت؟ پاسخ در فرآیند ترسیب معدنی (Mineral Carbonation) در همسایگی مزارع انرژی ژئوترمال نهفته است. گاز به دام افتاده در آب پرفشار حل شده و به اعماق ۸۰۰ تا ۱۵۰۰ متری زمین به درون لایه‌های سنگ بازالتی متخلخل تزریق می‌شود.

در شرایط پرفشار و حرارت لایه‌های بازالتی، آب کربناته اسیدی به سرعت با یون‌های کلسیم، منیزیم و آهن موجود در سنگ‌ها واکنش داده و بلورهای معدنی پایدار کربنات کلسیم (کلسیت) و منیزیت را پدید می‌آورد. این واکنش طبیعی که پیش از این صدها سال زمان می‌برد، با تنظیم pH و افزودن کاتالیزورهای نوین امروزه ظرف کمتر از دو سال گاز محلول را به سنگ سخت بدل می‌کند.

این فرآیند برگشت‌ناپذیر است؛ سنگ‌های حاصل در برابر زلزله، تغییرات فشار و گذشت اعصار کاملاً مصون هستند. در صورت مقایسه با سایر حوزه‌های نوآورانه مانند مأموریت‌های نیروگاه خورشیدی فضاپایه (SBSP) و شبیه‌سازی‌های نانوروبات‌های دی‌ان‌ای اوریگامی، این پیوند فناوری نانومواد و زمین‌شناسی عملی‌ترین پاسخ انسان به بحران فوری اتمسفر زمین به شمار می‌رود.

اقتصاد گواهی‌های حذف کربن و بازسازی اتمسفر زمین

توسعه مجتمع‌های غول‌پیکر DAC مجهز به نانومواد MOF در مناطق غنی از منابع ژئوترمال (نظیر ایسلند، کنیا و نیوزیلند) بازار جدیدی به نام «اعتبارات حذف دائمی کربن» (Permanent Carbon Removal Credits) را شکل داده است. شرکت‌های بزرگ جهان برای جبران ردپای زیست‌محیطی خود، مبالغ هنگفتی را به جای خرید گواهی‌های ناپایدار جنگل‌کاری، مستقیماً به خرید تن‌های سنگی ذخیره‌شده در زیر زمین اختصاص می‌دهند.

هدف‌گذاری دوران کنونی برای ساخت کارخانه‌های مگاتنی، امکان دستیابی به مقیاس گیگاتنی تا اواسط دهه ۲۰۳۰ را دست‌یافتنی ساخته است. این کارخانه‌ها می‌توانند علاوه بر دفن پایدار، بخشی از گاز خالص استخراج‌شده را به عنوان ماده اولیه برای تولید سوخت‌های هوانوردی مصنوعی پایدار (SAF) و پلاستیک‌های زیستی تجزیه‌پذیر به کار گیرند.

دوران کنونی ثابت کرد که نبوغ مهندسی مولکولی انسان توانایی آن را دارد که دستکاری‌های مخرب صنعتی دو قرن گذشته در اتمسفر سیاره را گام‌به‌گام به عقب رانده و تعادل حیات‌بخش اقلیم زمین را برای نسل‌های آینده بازسازی نماید.