جذب و ذخیره‌سازی دی‌اکسید کربن برای کاهش سرعت گرمایش جهانی امری حیاتی است، اما روش‌های فعلی این کار پرهزینه و انرژی‌بر هستند و اغلب به سوخت‌های فسیلی متکی‌اند. اکنون، یک تیم پژوهشی روشی نوین برای جذب کربن طراحی کرده است که از منبعی فراوان، پاک و رایگان بهره می‌برد: نور خورشید.
در مطالعه‌ای جدید از دانشگاه کرنل، پژوهشگران فرآیندی شبیه‌سازی‌شده از مکانیسم تثبیت کربن در گیاهان را توصیف کرده‌اند که نخستین سامانه‌ای است که با انرژی نور قادر به جذب و سپس رهاسازی دی‌اکسید کربن است.
نوآوری در جذب کربن با کمک نور
وعده‌ای برای کاهش هزینه‌ها و آلایندگی‌ها
این روش جدید می‌تواند هزینه‌ها و انتشار گازهای گلخانه‌ای ناشی از جذب کربن را کاهش دهد و جایگزینی پایدار برای فناوری‌های موجود ارائه دهد، چرا که از نور خورشید استفاده می‌کند.
چالشی به‌نام پایداری شیمیایی دی‌اکسید کربن
دی‌اکسید کربن به دلیل پایداری شیمیایی‌اش بسیار سخت جذب می‌شود. بیشتر فناوری‌های جذب کربن به آمین‌ها – ترکیبات آلی مشتق از آمونیاک – وابسته‌اند که به‌طور انتخابی به CO₂ متصل می‌شوند.
اما این ترکیبات در برابر اکسیژن تجزیه می‌شوند و نیاز به جایگزینی مداوم دارند، که همین امر مصرف انرژی بالایی را در پی دارد.
«از ابتدا، هدف ما این بود که به عنوان شیمی‌دانان، مسیرهای جایگزینی برای جذب CO₂ بیابیم»،
دکتر فیلیپ میلنر، نویسنده ارشد این تحقیق و دانشیار شیمی در دانشکده هنر و علوم دانشگاه کرنل می‌گوید:
«ما اساساً با شعار “هر چیزی جز آمین‌ها” کار می‌کنیم.»
رویکرد جدید: ترکیبی از شیمی پایدار و نور
استفاده از مولکول‌های پایدار برای جذب فعال کربن
روش جدید بر پایه یک مولکول انول پایدار استوار است که با قرار گرفتن در معرض نور خورشید به اندازه کافی واکنش‌پذیر می‌شود تا دی‌اکسید کربن را «برباید». پس از جذب، با تغییر pH، دی‌اکسید کربن از طریق فرایندی به‌نام دکربوکسیلاسیون آزاد می‌شود.
نکته قابل توجه این است که کل سامانه بدون نیاز به خنک‌سازی بین مرحله جذب و رهاسازی عمل می‌کند، که یکی از گلوگاه‌های انرژی‌بر در روش‌های موجود به شمار می‌آید.
الگوبرداری از فتوسنتز گیاهان
الهام از آنزیم روبیسکو
مکانیزم این واکنش از آنزیم روبیسکو الهام گرفته شده است، که گیاهان برای تثبیت کربن در فتوسنتز به کار می‌برند. بایو احمد، دانشجوی دکترای دانشگاه کرنل و نویسنده اصلی مقاله، مفهوم استفاده از نور خورشید برای پیش‌برد جذب و رهاسازی CO₂ را مطرح کرد.
«از دیدگاه شیمی، این کار کاملاً متفاوت از دیگر روش‌های جذب کربن است»،
میلنر می‌گوید: «کل مکانیزم ایده بایو بود و ابتدا تصور نمی‌کردم که جواب بدهد – ولی کاملاً جواب داد.»
استفاده از جاذب‌های ارزان و کارآمد
نقش کلیدی ۲-متیل‌بنزوفنون
تیم تحقیقاتی از ۲-متیل‌بنزوفنون، جاذبی ارزان، برای پشتیبانی فرآیند استفاده کرد. آزمایش‌ها نشان داد که نرخ جذب کربن در این روش نور-محور با سایر فناوری‌های مشابه برابری می‌کند یا حتی بهتر است، در حالی که مشکلات رایجی مانند نیاز به زیرساخت‌های خنک‌سازی را ندارد.
آزمون میدانی با گاز دودکش واقعی
آزمایش با منابع گازی پیچیده
موفقیت در آزمایشگاه لزوماً به معنای کارایی در شرایط واقعی نیست. برای بررسی این موضوع، محققان سامانه خود را با گاز خروجی از ساختمان تولید انرژی دانشگاه کرنل آزمایش کردند؛ جایی که گاز طبیعی برای تأمین انرژی سوزانده می‌شود. این روش موفق به جداسازی دی‌اکسید کربن از نمونه‌های پیچیده گاز دودکش شد.
«دریافت گاز دودکش واقعی از صنعت بسیار دشوار است، چون شرکت‌ها تمایل ندارند کسی بداند از نیروگاه‌هایشان چه خارج می‌شود»،
میلنر افزود: «اما کرنل یک شرکت نیست – پس این فرصتی منحصربه‌فرد است که می‌توانیم در اختیار دیگر پژوهشگران قرار دهیم. امیدواریم تا سال آینده اجرایی شود.»
آینده: پنل‌های خورشیدی جذب کربن
حذف CO₂ مستقیماً از هوا
این تیم امیدوار است در آینده این فناوری را به صورت پنل‌هایی شبیه به پنل‌های خورشیدی توسعه دهد. اما به‌جای تولید برق، این پنل‌ها دی‌اکسید کربن را مستقیماً از هوا جذب می‌کنند و CO₂ خالص و پرفشار تولید می‌کنند که می‌توان آن را در محل ذخیره یا تبدیل کرد.
«می‌خواهیم به نقطه‌ای برسیم که بتوانیم CO₂ را مستقیماً از هوا حذف کنیم، چون این کار عملی‌ترین راه‌حل است»،
میلنر می‌گوید:
«می‌توانید تصور کنید که در بیابان پنل‌هایی نصب کنید که دی‌اکسید کربن را از هوا می‌مکند و آن را به CO₂ خالص و فشرده تبدیل می‌کنند. سپس می‌توان آن را وارد خط لوله کرد یا در همان محل تبدیل نمود.»
گسترش کاربردها: جداسازی گازها با نور
کاربرد گسترده‌تر در صنایع دیگر
مزایای این نوآوری فقط محدود به دی‌اکسید کربن نیست. آزمایشگاه میلنر اکنون در حال بررسی این موضوع است که آیا جداسازی با نور خورشید می‌تواند برای گازهای صنعتی دیگر نیز کاربرد داشته باشد.
«فرصت زیادی برای کاهش مصرف انرژی وجود دارد، اگر جداسازی‌ها را به‌جای برق با نور انجام دهیم»،
میلنر توضیح داد.
از آنجا که فرآیندهای جداسازی حدود ۱۵٪ از کل مصرف انرژی جهان را شامل می‌شوند، جایگزین‌های مبتنی بر نور می‌توانند به طور چشمگیری این میزان را کاهش دهند و به اهداف جهانی پایداری کمک کنند.
تسهیلات آزمایشی منبع‌باز برای پژوهشگران
مشارکت در آینده جذب کربن
در گامی دیگر برای حمایت از تحقیقات جذب کربن، میلنر بخشی از پروژه‌ای است که گاز دودکش نیروگاه دانشگاه کرنل را در اختیار سایر دانشمندان و استارتاپ‌ها قرار می‌دهد. این ابتکار که توسط مرکز پایداری کرنل اتکینسون تأمین مالی شده است، هدف دارد بستری منحصربه‌فرد برای آزمایش فناوری‌های واقعی جذب کربن فراهم کند.
نتیجه‌گیری: نگاهی نوین به آینده جذب کربن
با ترکیب شیمی الهام‌گرفته از گیاهان و انرژی پاک خورشید، تیم میلنر مسیر تازه‌ای به سوی جذب کربن مقرون‌به‌صرفه و قابل توسعه گشوده است. این رویکرد جدید نه تنها مشکلات انرژی‌بر فناوری‌های فعلی را برطرف می‌کند، بلکه الگویی برای جداسازی‌های صنعتی پایدار ارائه می‌دهد که گامی مهم در مقابله عملی با تغییرات اقلیمی است.
این مطالعه در نشریه Chem منتشر شده است.
