دستگاه الکتروشیمیایی جدید، دی‌اکسید کربن را بدون حرارت شدید از هوا جذب می‌کند و بر مانع اصلی جذب مستقیم هوا غلبه می‌یابد

تلاش جهانی برای بیرون کشیدن انتشار تاریخی دی‌اکسید کربن از جو، مدت‌هاست که در دام یک پارادوکس ترمودینامیکی گرفتار شده است. برای نجات آب و هوا، بشر باید CO2 را از هوای محیط فیلتر کند، اما انجام این کار در حال حاضر نیازمند مقادیر عظیمی انرژی است که هم گران است و هم تأمین آن به صورت پاک دشوار. یک پیشرفت جدید که این هفته در مجلات معتبر منتشر شد، راه فرار بالقوه‌ای را نشان می‌دهد: دستگاهی شبیه باتری که کربن را در دمای اتاق جذب می‌کند.[1][3]

مشکل اصلی فناوری‌های موجود جذب مستقیم هوا (DAC) در نحوه آزادسازی کربن به دام افتاده نهفته است. سیستم‌های سنتی از حلال‌های مایع یا جاذب‌های جامد استفاده می‌کنند که مانند اسفنج‌های شیمیایی عمل می‌کنند. هنگامی که این اسفنج‌ها پر از CO2 می‌شوند، باید در دماهایی بین ۱۰۰ تا نزدیک به ۹۰۰ درجه سانتی‌گراد جوشانده یا پخته شوند تا گاز خالص برای ذخیره‌سازی آزاد شود.[4][5]

این گلوگاه حرارتی به این معنی است که تأسیسات DAC معمولی نمی‌توانند به سادگی به شبکه برق استاندارد متصل شوند. آنها باید در کنار منابع حرارتی صنعتی عظیم قرار گیرند، که اغلب نیازمند خطوط لوله گاز طبیعی اختصاصی یا حتی راکتورهای هسته‌ای کوچک مدولار هستند؛ این امر مکان‌هایی که می‌توانند در آن ساخته شوند را به شدت محدود کرده و هزینه‌های سرمایه‌ای را افزایش می‌دهد.[4][6]

رویکرد الکتروشیمیایی جدید که در نشریه Nature Energy به تفصیل آمده است، وارد عمل می‌شود. محققان دستگاهی را مهندسی کرده‌اند که کاملاً با برق و در دمای ۲۵ درجه سانتی‌گراد کار می‌کند و چرخه‌های شارژ و دشارژ یک باتری استاندارد را برای بیرون کشیدن CO2 از هوا بدون نیاز به پخت حرارتی تقلید می‌کند.[3]

ادعای اصلی این تحقیق جدید، امکان‌پذیری یک مکانیسم جذب کاملاً الکتریکی است. همانطور که هوای محیط در طول فاز "شارژ" از روی الکترودهای دستگاه عبور می‌کند، یک ولتاژ خاص اعمال می‌شود. این ولتاژ وضعیت شیمیایی مولکول‌های فعال ردوکس روی الکترود را تغییر می‌دهد و باعث می‌شود که آنها به شدت با مولکول‌های CO2 عبوری پیوند برقرار کنند.[1][3]

در طول فاز "دشارژ"، سیستم مهر و موم شده و ولتاژ به سادگی معکوس می‌شود. این وارونگی الکتریکی، مولکول‌ها را مجبور می‌کند تا گاز خالص CO2 را آزاد کنند، که سپس می‌تواند برای ذخیره‌سازی دائمی زمین‌شناسی زیرزمینی لوله‌کشی شود یا در فرآیندهای صنعتی مانند سوخت‌های مصنوعی هواپیما استفاده شود.[3][6]

دومین ادعای اصلی در بسته شواهد، بر بهره‌وری انرژی متمرکز است. از آنجایی که این سیستم به جای نوسان دما، بر نوسان ولتاژ متکی است، از جریمه عظیم انرژی ناشی از گرم کردن میلیون‌ها گالن آب یا تن‌ها مواد جامد جلوگیری می‌کند. تیم تحقیقاتی کاهش ۴۰ درصدی در کل انرژی مورد نیاز برای هر تن CO2 جذب شده را در مقایسه با سیستم‌های حرارتی پیشرفته گزارش می‌دهد.[3][5]

این بهره‌وری مستقیماً به یک مسیر هزینه پیش‌بینی شده شدید منجر می‌شود. هزینه‌های فعلی DAC تجاری بین ۶۰۰ تا ۱۰۰۰ دلار برای هر تن کربن حذف شده است. مدل الکتروشیمیایی مسیری را به سمت ۱۵۰ دلار در هر تن، پس از تولید در مقیاس تجاری، پیش‌بینی می‌کند.[2][4]

آستانه ۱۵۰ دلار به طور گسترده‌ای به عنوان جام مقدس حذف کربن در نظر گرفته می‌شود. وزارت انرژی مدت‌هاست که ۱۰۰ تا ۱۵۰ دلار در هر تن را به عنوان نقطه عطفی هدف قرار داده است که در آن DAC از نظر اقتصادی برای خریدهای گسترده خالص-صفر شرکتی و برنامه‌های تدارکات دولتی در مقیاس بزرگ، مقرون به صرفه می‌شود.[2][4]

با این حال، بسته شواهد حاوی عدم قطعیت‌های شفافی است، به ویژه در مورد دوام مواد. در حالی که نتایج آزمایشگاهی قوی هستند، سلول‌های الکتروشیمیایی به دلیل تخریب در طول زمان مشهورند، زیرا الکترودهای فعال ردوکس تحت هزاران نوسان شیمیایی قرار می‌گیرند.[3][6]

در مطالعه منتشر شده، سلول ۹۰ درصد از ظرفیت جذب کربن خود را طی ۵۰۰۰ چرخه حفظ کرد. اگرچه این برای یک نمونه اولیه آزمایشگاهی چشمگیر است، اما یک کارخانه تجاری سالانه ده‌ها هزار بار چرخه خواهد داشت. اگر الکترودها خیلی سریع تخریب شوند، هزینه جایگزینی مداوم آنها می‌تواند به طور کامل صرفه‌جویی انرژی را خنثی کند.[1][3]

حوزه ثانویه شواهد ضعیف، مربوط به شرایط هوای واقعی است. آزمایش‌های Nature Energy با استفاده از هوای آزمایشگاهی فیلتر شده و کنترل شده انجام شد. هوای محیط واقعی حاوی ذرات معلق، دی‌اکسید گوگرد، اکسیدهای نیتروژن و سطوح رطوبت به شدت متغیر است—که همه اینها می‌توانند سلول‌های الکتروشیمیایی حساس را در طول زمان مسموم کنند.[5][6]

مرحله بعدی جمع‌آوری شواهد از استقرار آزمایشی به جای میزهای آزمایشگاهی خواهد بود. کنسرسیوم تحقیقاتی، با حمایت سرمایه‌های خطرپذیر، در حال حاضر در حال ساخت یک نمونه اولیه ۱۰۰ تنی در سال است که برای آزمایش انعطاف‌پذیری سیستم در شرایط متغیر فضای باز و رطوبت متفاوت طراحی شده است.[1][2]

اگر این فناوری در خارج از آزمایشگاه دوام خود را ثابت کند، می‌تواند اساساً جغرافیای حذف کربن را تغییر دهد. با جدا کردن DAC از حرارت سنگین صنعتی، واحدهای الکتروشیمیایی می‌توانند بسیار مدولار باشند، در کانتینرهای حمل و نقل ساخته شوند و در هر مکانی با برق تجدیدپذیر فراوان و ارزان مستقر شوند.[2][6]

این مدولار بودن به تأسیسات حذف کربن اجازه می‌دهد تا مستقیماً با مزارع بادی و خورشیدی دورافتاده جفت شوند، انرژی تجدیدپذیر مازاد را در ساعات اوج تولید جذب کنند و به عنوان یک بار انعطاف‌پذیر و التیام‌بخش آب و هوا در شبکه عمل کنند.[4][6]