Το όνειρο της μετατροπής της ρύπανσης σε ενέργεια
Κάθε χρόνο, η ανθρωπότητα επιδεινώνει την κλιματική αλλαγή απελευθερώνοντας στην ατμόσφαιρα 30 δισεκατομμύρια τόνους διοξειδίου του άνθρακα. Μια νέα τεχνολογία, η τεχνητή φωτοσύνθεση, θα μπορούσε μια μέρα αφενός να περιορίσει τη ρύπανση, αφετέρου να παράγει καύσιμα και χημικές ύλες για τη βιομηχανία.
Το παράδειγμα δίνουν οι φωτοσυνθετικοί οργανισμοί, οι οποίοι απορροφούν το ατμοσφαιρικό CO2 και το μετατρέπουν σε σάκχαρα με τη βοήθεια της ηλιακής ακτινοβολίας.
Οι οργανισμοί αυτοί χρησιμοποιούν ένζυμα ως καταλύτες για να διασπάσουν το άκρως σταθερό μόριο του διοξειδίου του άνθρακα, όμως τα ένζυμα αυτά δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν στη βιομηχανία. Αυτό που προσπαθούν να κάνουν δεκάδες ερευνητικές ομάδες σε όλο τον κόσμο είναι να αναπτύξουν ανόργανους καταλύτες με λογικό κόστος και υψηλή αποδοτικότητα και ανθεκτικότητα.
Και όπως φαίνεται υπάρχει πρόοδος, όπως τουλάχιστον δείχνουν μελέτες που δημοσιεύτηκαν το φετινό καλοκαίρι στα κορυφαία επιστημονικά περιοδικά Nature και Science.
Και οι τέσσερις αφορούν πειραματικά συστήματα που αξιοποιούν το φως για τη χημική αναγωγή του διοξειδίου του άνθρακα σε μονοξείδιο, το οποίο με τη σειρά του μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή αιθανόλης, ντίζελ ή άλλων καύσιμων υδρογονανθράκων.
«Είναι πολύ δύσκολο να μετατρέψεις το σκέτο διοξείδιο του άνθρακα σε κάτι άλλο» παραδέχεται ο Λάρι Κέρτις του Εθνικού Εργαστηρίου Άργκον στις ΗΠΑ. «Στη φωτοσύνθεση, τα δέντρα χρειάζονται ενέργεια από το φως, νερό και διοξείδιο του άνθρακα για να παράγουν τα καύσιμά τους. Στο δικό μας πείραμα, τα συστατικά παραμένουν τα ίδια, αλλά τα προϊόντα αλλάζουν» εξηγεί.
Η ομάδα του Κέρτις αναφέρει στο Science ότι ανέπτυξε ένα «τεχνητό φύλλο» που μετατρέπει το CO2 σε CO χρησιμοποιώντας ως καταλύτη νανοσωματίδια δισεληνιούχου βολφραμίου. Στο πρώτο στάδιο, το φως προσφέρει την ενέργεια για τη διάσπαση του νερού σε οξυγόνο και υδρογόνο. Στο τελικό στάδιο, το υδρογόνο, το διοξείδιο του άνθρακα και τα πλεονάζοντα ηλεκτρόνια από το πρώτο στάδιο αντιδρούν για να δώσουν μονοξείδιο του άνθρακα και νερό.
Ο ίδιος καταλύτης, το δισεληνιούχο βολφράμιο, χρησιμοποιείται και σε μια δεύτερη πειραματική διάταξη που παρουσιάζεται στο Science από ερευνητές του Πανεπιστημίου του Ίλινοϊ στο Σικάγο.
Η διάταξη αποτελείται από φωτοβολταϊκά στοιχεία με τον καταλύτη στην κάθοδο και παράγει ένα μείγμα μονοξειδίου του άνθρακα και υδρογόνο, το λεγόμενο συνθετικό αέριο. Αυτό μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως έχει ως καύσιμο ή να μετατραπεί σε ντίζελ.
Μια τεχνητή πηγή φωτός τροφοδοτεί το σύστημα που μετατρέπει το CO2 σε συνθετικό αέριο (Πηγή: University of Illinois at Chicago/Jenny Fontaine)
Σε μια τρίτη μελέτη, η οποία δημοσιεύεται στο Nature Communications, ως καταλύτης της αντίδρασης αναγωγής του CO2 χρησιμοποιούνται νανοσωματίδια πυριτίου, ενός στοιχείου που υπάρχει στην άμμο και είναι διαθέσιμο σε πρακτικά απεριόριστες ποσότητες.
Ο λόγος που χρησιμοποιούνται νανοσωματίδια, τόσο αυτή όσο και σε άλλες μελέτες, είναι ότι το μικρό μέγεθος αυξάνει την ελεύθερη επιφάνεια του καταλύτη πάνω στην οποία συνδέονται τα μόρια CO2. Τα νανοσωματίδια, με διάμετρο μόλις 3,5 νανόμετρα, απορροφούν τόσο το ορατό φως όσο και το υπέρυθρο και το υπεριώδες. Προϊόν της αντίδρασης είναι και σε αυτήν την περίπτωση το CO.
Μια ελαφρώς διαφορετική προσέγγιση, η οποία χρησιμοποιεί ηλεκτρικό ρεύμα αντί για φως ως πηγή ενέργειας, αναπτύσσεται στο Πανεπιστήμιο του Τορόντο και παρουσιάζεται στο Nature. Ως καταλύτης χρησιμοποιούνται μικροσκοπικοί ράβδοι χρυσού, οι οποίοι έλκουν και διασπούν τα μόρια διοξειδίου όταν δεχθούν ρεύμα.
Όπως λένε οι ερευνητές, επόμενος στόχος τους είναι να παρακάμψουν την παραγωγή CO και να παράγουν απευθείας συμβατικά καύσιμα.
Και οι τέσσερις ερευνητικές ομάδες, εξάλλου, υποστηρίζουν ότι οι καταλύτες τους πληρούν τις προϋποθέσεις αποδοτικότητας και κόστους για να αξιοποιηθούν σε μεγάλη κλίμακα.
Ωστόσο αυτό που δείχνει ικανοποιητικό στο εργαστήριο μπορεί να αποδειχθεί αποτυχία στη βιομηχανία.
Όλα όμως δείχνουν ότι μια μέρα ο άνθρωπος θα φτάσει και τελικά θα ξεπεράσει τις ικανότητες των φυτών στην αξιοποίηση της λιακάδας και του διοξειδίου του άνθρακα.
Θα είναι μια μέρα με πιο καθαρό αέρα και με φθηνά, σχεδόν ανεξάντλητα καύσιμα.
Βαγγέλης Πρατικάκης
Το παράδειγμα δίνουν οι φωτοσυνθετικοί οργανισμοί, οι οποίοι απορροφούν το ατμοσφαιρικό CO2 και το μετατρέπουν σε σάκχαρα με τη βοήθεια της ηλιακής ακτινοβολίας.
Οι οργανισμοί αυτοί χρησιμοποιούν ένζυμα ως καταλύτες για να διασπάσουν το άκρως σταθερό μόριο του διοξειδίου του άνθρακα, όμως τα ένζυμα αυτά δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν στη βιομηχανία. Αυτό που προσπαθούν να κάνουν δεκάδες ερευνητικές ομάδες σε όλο τον κόσμο είναι να αναπτύξουν ανόργανους καταλύτες με λογικό κόστος και υψηλή αποδοτικότητα και ανθεκτικότητα.
Και όπως φαίνεται υπάρχει πρόοδος, όπως τουλάχιστον δείχνουν μελέτες που δημοσιεύτηκαν το φετινό καλοκαίρι στα κορυφαία επιστημονικά περιοδικά Nature και Science.
Και οι τέσσερις αφορούν πειραματικά συστήματα που αξιοποιούν το φως για τη χημική αναγωγή του διοξειδίου του άνθρακα σε μονοξείδιο, το οποίο με τη σειρά του μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή αιθανόλης, ντίζελ ή άλλων καύσιμων υδρογονανθράκων.
«Είναι πολύ δύσκολο να μετατρέψεις το σκέτο διοξείδιο του άνθρακα σε κάτι άλλο» παραδέχεται ο Λάρι Κέρτις του Εθνικού Εργαστηρίου Άργκον στις ΗΠΑ. «Στη φωτοσύνθεση, τα δέντρα χρειάζονται ενέργεια από το φως, νερό και διοξείδιο του άνθρακα για να παράγουν τα καύσιμά τους. Στο δικό μας πείραμα, τα συστατικά παραμένουν τα ίδια, αλλά τα προϊόντα αλλάζουν» εξηγεί.
Η ομάδα του Κέρτις αναφέρει στο Science ότι ανέπτυξε ένα «τεχνητό φύλλο» που μετατρέπει το CO2 σε CO χρησιμοποιώντας ως καταλύτη νανοσωματίδια δισεληνιούχου βολφραμίου. Στο πρώτο στάδιο, το φως προσφέρει την ενέργεια για τη διάσπαση του νερού σε οξυγόνο και υδρογόνο. Στο τελικό στάδιο, το υδρογόνο, το διοξείδιο του άνθρακα και τα πλεονάζοντα ηλεκτρόνια από το πρώτο στάδιο αντιδρούν για να δώσουν μονοξείδιο του άνθρακα και νερό.
Ο ίδιος καταλύτης, το δισεληνιούχο βολφράμιο, χρησιμοποιείται και σε μια δεύτερη πειραματική διάταξη που παρουσιάζεται στο Science από ερευνητές του Πανεπιστημίου του Ίλινοϊ στο Σικάγο.
Η διάταξη αποτελείται από φωτοβολταϊκά στοιχεία με τον καταλύτη στην κάθοδο και παράγει ένα μείγμα μονοξειδίου του άνθρακα και υδρογόνο, το λεγόμενο συνθετικό αέριο. Αυτό μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως έχει ως καύσιμο ή να μετατραπεί σε ντίζελ.
Μια τεχνητή πηγή φωτός τροφοδοτεί το σύστημα που μετατρέπει το CO2 σε συνθετικό αέριο (Πηγή: University of Illinois at Chicago/Jenny Fontaine)
Σε μια τρίτη μελέτη, η οποία δημοσιεύεται στο Nature Communications, ως καταλύτης της αντίδρασης αναγωγής του CO2 χρησιμοποιούνται νανοσωματίδια πυριτίου, ενός στοιχείου που υπάρχει στην άμμο και είναι διαθέσιμο σε πρακτικά απεριόριστες ποσότητες.
Ο λόγος που χρησιμοποιούνται νανοσωματίδια, τόσο αυτή όσο και σε άλλες μελέτες, είναι ότι το μικρό μέγεθος αυξάνει την ελεύθερη επιφάνεια του καταλύτη πάνω στην οποία συνδέονται τα μόρια CO2. Τα νανοσωματίδια, με διάμετρο μόλις 3,5 νανόμετρα, απορροφούν τόσο το ορατό φως όσο και το υπέρυθρο και το υπεριώδες. Προϊόν της αντίδρασης είναι και σε αυτήν την περίπτωση το CO.
Μια ελαφρώς διαφορετική προσέγγιση, η οποία χρησιμοποιεί ηλεκτρικό ρεύμα αντί για φως ως πηγή ενέργειας, αναπτύσσεται στο Πανεπιστήμιο του Τορόντο και παρουσιάζεται στο Nature. Ως καταλύτης χρησιμοποιούνται μικροσκοπικοί ράβδοι χρυσού, οι οποίοι έλκουν και διασπούν τα μόρια διοξειδίου όταν δεχθούν ρεύμα.
Όπως λένε οι ερευνητές, επόμενος στόχος τους είναι να παρακάμψουν την παραγωγή CO και να παράγουν απευθείας συμβατικά καύσιμα.
Και οι τέσσερις ερευνητικές ομάδες, εξάλλου, υποστηρίζουν ότι οι καταλύτες τους πληρούν τις προϋποθέσεις αποδοτικότητας και κόστους για να αξιοποιηθούν σε μεγάλη κλίμακα.
Ωστόσο αυτό που δείχνει ικανοποιητικό στο εργαστήριο μπορεί να αποδειχθεί αποτυχία στη βιομηχανία.
Όλα όμως δείχνουν ότι μια μέρα ο άνθρωπος θα φτάσει και τελικά θα ξεπεράσει τις ικανότητες των φυτών στην αξιοποίηση της λιακάδας και του διοξειδίου του άνθρακα.
Θα είναι μια μέρα με πιο καθαρό αέρα και με φθηνά, σχεδόν ανεξάντλητα καύσιμα.
Βαγγέλης Πρατικάκης
Newsroom ΔΟΛ
About Unknown
Δεν υπάρχουν σχόλια