تبدیل ضایعات غذایی به سوخت جت پایدار میتواند همزمان دو چالش بزرگ جهان را هدف قرار دهد؛ کاهش حجم زبالههای غذایی و کاهش وابستگی صنعت هوانوردی به سوختهای فسیلی. پژوهشگران اکنون موفق شدهاند سوختی تولید کنند که به تنهایی استانداردهای موردنیاز هواپیماهای مسافربری را برآورده میکند.
بخش بزرگی از ضایعات غذایی سرانجام راهی محلهای دفن زباله میشوند. این پسماندها بهآرامی تجزیه شده، گاز متان آزاد میکنند؛ گاز گلخانهای قدرتمندی که گرمای بسیار بیشتری نسبت به دیاکسید کربن در جو زمین به دام میاندازد.
در نتیجه، یافتن راهکارهای بهتر برای استفاده از این حجم عظیم ضایعات غذایی، به یکی از چالشهای مهم جهان تبدیل شده است.
از سوی دیگر، صنعت هوانوردی همچنان یکی از دشوارترین بخشها برای کاهش انتشار کربن محسوب میشود.
پروازهای طولانیمدت به سوختی با چگالی انرژی بسیار بالا نیاز دارند؛ قابلیتی که باتریهای امروزی هنوز قادر به تأمین آن نیستند. به همین دلیل، شرکتهای هواپیمایی گزینههای عملی محدودی برای جایگزینی سوختهای نفتی در اختیار دارند.
اکنون مهندسان این دو مسئله را به شکلی غیرمنتظره به یکدیگر پیوند دادهاند. آنها موفق شدهاند ضایعات غذایی دورریختنی را به سوخت جت پایدار تبدیل کنند؛ سوختی که بدون نیاز به ترکیب با سوختهای فسیلی متداول، استانداردهای صنعت هوانوردی را برآورده میکند.
ضایعات غذایی چگونه به سوخت جت تبدیل میشوند؟
کاهش آلایندگی صنعت هوانوردی یکی از دشوارترین چالشهای جهان است. هواپیماها حجم بسیار زیادی سوخت مصرف میکنند، باتریهای کنونی نیز آنقدر سبک نیستند که بتوانند یک هواپیمای جت را در مسیرهای بینقارهای به پرواز درآورند.
Yuanhui Zhang، استاد مهندسی کشاورزی و مهندسی زیستی در University of Illinois Urbana-Champaign (UIUC)، سالها روی رویکردی متفاوت کار کرده است.
تیم تحقیقاتی او ضایعات غذایی را به سوختی تبدیل میکند که موتورهای جت واقعاً قادر به استفاده از آن هستند.
این فرآیند با فناوری Hydrothermal Liquefaction آغاز میشود. این روش با استفاده از دمای بالا و فشار بسیار زیاد، فرآیندی را شبیهسازی میکند که در طبیعت طی میلیونها سال نفت خام را شکل میدهد، اما این بار تنها ظرف چند دقیقه.
در پایان این مرحله، مایعی غلیظ و روغنی به دست میآید.
سپس این روغن طی مرحلهای دیگر و با استفاده از کاتالیزور تصفیه میشود تا استانداردهای سوخت پایدار هوانوردی را به دست آورد.
کل سامانه بهصورت یک چرخه بسته عمل میکند؛ نمونهای از اقتصاد زیستی چرخشی که در آن ضایعات امروز به منبع انرژی فردا تبدیل میشوند.
سوخت جدید چگونه استانداردهای سختگیرانه هوانوردی را پشت سر گذاشت؟
نکتهای که این پژوهش را از بسیاری از پروژههای مشابه متمایز میکند، عملکرد خود سوخت است. بسیاری از سوختهای سبز هوانوردی تنها بهعنوان افزودنی قابل استفاده هستند، زیرا به تنهایی نمیتوانند تمام الزامات فنی صنعت هوانوردی را برآورده کنند. به همین دلیل، معمولاً تنها با درصد مشخصی از سوختهای نفتی ترکیب میشوند.
اما سوخت تولیدشده توسط پژوهشگران دانشگاه ایلینوی به چنین ترکیبی نیاز نداشت.
در آزمایشهای انجامشده، این سوخت توانست معیارهای مهمی مانند Flash Point یا نقطه اشتعال، همچنین Viscosity یا گرانروی را با موفقیت پشت سر بگذارد.
نقطه اشتعال دمایی است که بخار سوخت در آن مشتعل میشود، گرانروی نیز میزان روان بودن سوخت را نشان میدهد.
این نتایج نشان میدهد که از نظر تئوری، این سوخت میتواند بدون افزودن هیچ مقدار سوخت فسیلی، بهصورت صددرصدی در موتور هواپیماهای جت مورد استفاده قرار گیرد.
تعداد بسیار کمی از سوختهای تولیدشده از پسماندها موفق به دستیابی به چنین استانداردی شدهاند؛ حتی با وجود اینکه پژوهشهای پیشین نشان داده بودند زبالههای مرطوب را میتوان به سوختهایی در سطح دیزل تبدیل کرد.
چرا این سوخت از سوخت جت امروزی عملکرد بهتری دارد؟
ویژگیهای برجسته این سوخت به ترکیب شیمیایی آن بازمیگردد.
حدود ۷۰ درصد از این سوخت را مولکولهای حلقهای موسوم به Cycloalkanes تشکیل میدهند. این ترکیبات، پایداری بالا و چگالی انرژی موردنیاز موتورهای جت را فراهم میکنند.
در مقایسه با Jet A که سوخت استاندارد مورد استفاده هواپیماهای مسافربری امروز است، نمونه تولیدشده از ضایعات غذایی انرژی بیشتری در هر گالن ذخیره میکند، همچنین در دماهای پایینتر نیز به حالت مایع باقی میماند.
هر دو ویژگی برای پروازهای طولانیمدت اهمیت بسیار زیادی دارند.
در ارتفاعی که هواپیماهای مسافربری پرواز میکنند، دمای هوا بهمراتب پایینتر از صفر درجه سانتیگراد است. اگر سوخت غلیظ شود یا حالت ژلهای پیدا کند، ممکن است جریان سوخت به موتور مختل شود، عملکرد موتور در میانه پرواز با مشکل مواجه شود.
برای اینکه یک سوخت بهعنوان سوخت واقعی هوانوردی پذیرفته شود، باید مجموعه گستردهای از آزمونهای تعیینشده توسط نهادهای استاندارد و مراجع هوانوردی ایالات متحده را با موفقیت پشت سر بگذارد.
تیم پژوهشی اعلام کرده است که سوخت تولیدشده تمامی این معیارها را برآورده کرده است.
ضایعات باقیمانده نیز به منبع ارزشمند تبدیل شدند
البته تبدیل ضایعات غذایی به روغن، خود پسماندهای دیگری نیز تولید میکند.
این فرآیند مایعی تیرهرنگ و آبکی بر جای میگذارد که حاوی ترکیبات سمی، مواد مغذی حلشده است. دفع این مایع سالها یکی از مهمترین نقاط ضعف این فناوری محسوب میشد.
پژوهشگران این بار به جای دور ریختن این مایع، آن را به منبعی ارزشمند تبدیل کردند.
آنها با استفاده از برق برای هدایت واکنشهای شیمیایی، توانستند بیش از ۹۰ درصد اسیدهای مفید موجود در این مایع، بیش از سهچهارم مواد مغذی آن را بازیابی کنند.
همین مرحله مقدار کافی هیدروژن نیز تولید کرد؛ هیدروژنی که برای فرآیند پالایش روغن و تولید سوخت نهایی موردنیاز است.
به این ترتیب، بخشی از سامانه دقیقاً همان مادهای را تولید میکند که بخش دیگری از همان سامانه به آن نیاز دارد؛ موضوعی که بازده کل فرآیند را به شکل قابل توجهی افزایش میدهد.
اقتصاد تولید سوخت جت از ضایعات غذایی
البته این دستاورد به معنای عرضه فوری سوخت ارزانقیمت نیست.
در شرایط فعلی، برق موردنیاز برای بازیابی محصولات جانبی این فرآیند میتواند هزینه تولید هر گالن سوخت را تقریباً سه برابر بیشتر از حالتی کند که ضایعات مستقیماً به تأسیسات تصفیه منتقل شوند.
با این حال، پژوهشگران معتقدند با بلوغ فناوری و توسعه زیرساختها، این فاصله هزینه بهتدریج کاهش خواهد یافت.
بر اساس تحلیل تیم تحقیقاتی، اگر برق پاک با هزینه کمتر در دسترس باشد، قیمت این سوخت میتواند به حدود ۳٫۸۲ دلار برای هر گالن برسد؛ رقمی که آن را از نظر اقتصادی با سوختهای فسیلی رقابتی میکند.
شاید مهمترین بخش این پژوهش به محاسبات مربوط به انتشار کربن بازگردد.
براساس سناریوهای مختلفی که پژوهشگران بررسی کردهاند، این فرآیند حتی میتواند کربن منفی (Carbon Negative) باشد؛ به این معنا که در طول چرخه عمر خود، گازهای گلخانهای بیشتری را از محیط حذف میکند تا مقداری که تولید میکند.
رقابت برای تولید سوخت جت از انواع زبالهها نیز به سرعت در حال گسترش است.
در یکی از پژوهشهای اخیر، پژوهشگران موفق شدند زبالههای معمول شهری را به سوخت جت تبدیل کنند و اکنون ضایعات غذایی نیز به یکی دیگر از منابع امیدوارکننده تولید سوخت پایدار هوانوردی تبدیل شدهاند.
آیا ضایعات غذایی میتوانند آینده هوانوردی را تغییر دهند؟
سالها دو مانع اصلی بر سر راه تولید سوخت جت از پسماندها وجود داشت:
- کیفیت سوخت تولیدی به اندازهای نبود که بتواند نیاز موتورهای جت را برآورده کند.
- مایع باقیمانده از فرآیند تولید، دفع دشوار و هزینهبر داشت.
این پژوهش نشان میدهد که هر دو مشکل تا حد زیادی برطرف شدهاند.
اکنون ضایعات غذایی میتوانند سوختی تولید کنند که به اندازه کافی پاک و باکیفیت باشد تا بهتنهایی در هواپیما مورد استفاده قرار گیرد. از سوی دیگر، محصول جانبی دردسرساز این فرآیند نیز به ماده اولیه ارزشمندی تبدیل شده است، نه یک آلاینده.
البته یک محدودیت مهم همچنان وجود دارد.
میزان ضایعات غذایی تولیدشده در جهان آنقدر زیاد نیست که بتواند جایگزین تمام سوخت مصرفی صنعت هوانوردی شود.
در عمل، احتمالاً این سوخت در مقادیر محدود و بهصورت بخشی از ترکیب سوخت هواپیماها مورد استفاده قرار خواهد گرفت.
با این حال، حتی جایگزینی بخشی از سوختهای فسیلی نیز میتواند ردپای کربنی یکی از آلایندهترین صنایع جهان را به میزان قابل توجهی کاهش دهد. همچنین شهرها قادر خواهند بود زبالههایی را که امروز در محلهای دفن زباله تجزیه میشوند، به منبعی ارزشمند برای تولید انرژی تبدیل کنند.
Yuanhui Zhang در اینباره میگوید:
«ما هنوز این فناوری را در مقیاسی بسیار کوچک اجرا میکنیم.»
او توضیح داد که آزمایشگاه این تیم اکنون توانایی تولید مقدار کافی سوخت پالایششده برای انجام آزمایشهای موتور جت را دارد.
هدف بعدی پژوهشگران، انجام آزمایشهای عملی روی موتورهای جت است.
به گفته آنها، این مسیر هنوز به پایان نرسیده و تحقیقات بیشتری برای تجاریسازی این فناوری موردنیاز خواهد بود.
نتایج این پژوهش در نشریه علمی Nature Sustainability منتشر شده است.
