Le fabbriche di cemento come quella mostrata qui sono una delle principali fonti di anidride carbonica, responsabile del riscaldamento globale. Ma alcuni di questi inquinanti possono essere convertiti in un nuovo tipo di combustibile. Questo sale può essere conservato in sicurezza per decenni o più.
Questo è un altro articolo di una serie che esamina le nuove tecnologie e azioni che possono rallentare il cambiamento climatico, ridurne l'impatto o aiutare le comunità ad affrontare un mondo in rapido cambiamento.
Le attività che rilasciano anidride carbonica (CO2), un comune gas serra, contribuiscono al riscaldamento dell'atmosfera terrestre. L'idea di estrarre CO2 dall'aria e immagazzinarla non è nuova. Ma è difficile da realizzare, soprattutto quando le persone possono permetterselo. Un nuovo sistema risolve il problema dell'inquinamento da CO2 in un modo leggermente diverso. Converte chimicamente il gas che riscalda il clima in combustibile.
Il 15 novembre, i ricercatori del Massachusetts Institute of Technology (MIT) di Cambridge hanno pubblicato i loro rivoluzionari risultati sulla rivista Cell Reports Physical Science.
Il loro nuovo sistema è diviso in due parti. La prima prevede la conversione dell'anidride carbonica presente nell'aria in una molecola chiamata formiato per produrre combustibile. Come l'anidride carbonica, il formiato contiene un atomo di carbonio e due atomi di ossigeno, oltre a un atomo di idrogeno. Il formiato contiene anche diversi altri elementi. Il nuovo studio ha utilizzato il sale di formiato, derivato dal sodio o dal potassio.
La maggior parte delle celle a combustibile funziona a idrogeno, un gas infiammabile che richiede condotte e serbatoi pressurizzati per il trasporto. Tuttavia, le celle a combustibile possono funzionare anche a formiato. Il formiato ha un contenuto energetico paragonabile a quello dell'idrogeno, secondo Li Ju, scienziato dei materiali che ha guidato lo sviluppo del nuovo sistema. Il formiato presenta alcuni vantaggi rispetto all'idrogeno, ha osservato Li Ju. È più sicuro e non richiede stoccaggio ad alta pressione.
I ricercatori del MIT hanno creato una cella a combustibile per testare il formiato, prodotto a partire dall'anidride carbonica. Per prima cosa, hanno mescolato il sale con acqua. La miscela è stata poi immessa in una cella a combustibile. All'interno della cella, il formiato ha rilasciato elettroni in una reazione chimica. Questi elettroni sono fluiti dall'elettrodo negativo della cella a combustibile a quello positivo, completando un circuito elettrico. Questi elettroni in flusso – una corrente elettrica – sono rimasti presenti per 200 ore durante l'esperimento.
Zhen Zhang, uno scienziato dei materiali che lavora con Li al MIT, è ottimista sul fatto che il suo team sarà in grado di sviluppare su larga scala la nuova tecnologia entro un decennio.
Il team di ricerca del MIT ha utilizzato un metodo chimico per convertire l'anidride carbonica in un ingrediente chiave per la produzione di carburante. Innanzitutto, l'hanno esposta a una soluzione altamente alcalina. Hanno scelto l'idrossido di sodio (NaOH), comunemente noto come liscivia. Questo innesca una reazione chimica che produce bicarbonato di sodio (NaHCO3), meglio noto come bicarbonato di sodio.
Poi hanno acceso l'alimentazione. La corrente elettrica ha innescato una nuova reazione chimica che ha scisso ogni atomo di ossigeno nella molecola di bicarbonato di sodio, lasciando formiato di sodio (NaCHO2). Il loro sistema ha convertito quasi tutto il carbonio presente nella CO2 – oltre il 96% – in questo sale.
L'energia necessaria per rimuovere l'ossigeno è immagazzinata nei legami chimici del formiato. Il professor Li ha osservato che il formiato può immagazzinare questa energia per decenni senza perdere energia potenziale. Genera quindi elettricità quando passa attraverso una cella a combustibile. Se l'elettricità utilizzata per produrre formiato proviene da energia solare, eolica o idroelettrica, l'elettricità generata dalla cella a combustibile sarà una fonte di energia pulita.
Per sviluppare su larga scala la nuova tecnologia, ha affermato Lee, "dobbiamo trovare ricche risorse geologiche di liscivia". Ha studiato un tipo di roccia chiamata basalto alcalino (AL-kuh-lye buh-SALT). Mescolate con acqua, queste rocce si trasformano in liscivia.
Farzan Kazemifar è un ingegnere presso la San Jose State University in California. La sua ricerca si concentra sullo stoccaggio dell'anidride carbonica nelle formazioni saline sotterranee. Rimuovere l'anidride carbonica dall'aria è sempre stato difficile e quindi costoso, afferma. Quindi è redditizio convertire la CO2 in prodotti utilizzabili come il formiato. Il costo del prodotto può compensare i costi di produzione.
Sono state condotte numerose ricerche sulla cattura dell'anidride carbonica dall'aria. Ad esempio, un team di scienziati della Lehigh University ha recentemente descritto un altro metodo per filtrare l'anidride carbonica dall'aria e convertirla in bicarbonato di sodio. Altri gruppi di ricerca stanno immagazzinando la CO₂ in rocce speciali, convertendola in carbonio solido che può poi essere trasformato in etanolo, un combustibile alcolico. La maggior parte di questi progetti è su piccola scala e non ha ancora avuto un impatto significativo sulla riduzione degli elevati livelli di anidride carbonica nell'aria.
Questa immagine mostra una casa alimentata ad anidride carbonica. Il dispositivo qui mostrato converte l'anidride carbonica (le molecole presenti nelle bolle rosse e bianche) in un sale chiamato formiato (le bolle blu, rosse, bianche e nere). Questo sale può quindi essere utilizzato in una cella a combustibile per generare elettricità.
Kazemifar ha affermato che la nostra migliore opzione è "ridurre prima le emissioni di gas serra". Un modo per farlo è sostituire i combustibili fossili con fonti di energia rinnovabile come l'eolico o il solare. Questo fa parte di una transizione che gli scienziati chiamano "decarbonizzazione". Ma ha aggiunto che fermare il cambiamento climatico richiederà un approccio multiforme. Questa nuova tecnologia è necessaria per catturare il carbonio in aree difficili da decarbonizzare, ha affermato. Prendiamo le acciaierie e i cementifici, per citarne due.
Il team del MIT vede anche vantaggi nell'integrare la loro nuova tecnologia con l'energia solare ed eolica. Le batterie tradizionali sono progettate per immagazzinare energia per settimane. Immagazzinare la luce solare estiva fino all'inverno o più a lungo richiede un approccio diverso. "Con il combustibile formiato", ha affermato Lee, non si è più limitati all'accumulo stagionale. "Potrebbe essere generazionale".
Forse non brillerà come l'oro, ma "posso lasciare 200 tonnellate... di formiato ai miei figli e alle mie figlie", ha detto Lee, "come eredità".
Alcalina: aggettivo che descrive una sostanza chimica che forma ioni idrossido (OH-) in soluzione. Queste soluzioni sono anche chiamate alcaline (in contrapposizione a acide) e hanno un pH maggiore di 7.
Acquifero: formazione rocciosa in grado di contenere riserve idriche sotterranee. Il termine si applica anche ai bacini sotterranei.
Basalto: roccia vulcanica nera, solitamente molto densa (a meno che un'eruzione vulcanica non abbia lasciato al suo interno grandi sacche di gas).
Legame: (in chimica) una connessione semipermanente tra atomi (o gruppi di atomi) in una molecola. È formata da forze attrattive tra gli atomi partecipanti. Una volta formati i legami, gli atomi funzionano come un'unità. Per separare gli atomi costituenti, è necessario fornire energia sotto forma di calore o altre radiazioni alle molecole.
Carbonio: elemento chimico che costituisce la base fisica di tutta la vita sulla Terra. Il carbonio esiste liberamente sotto forma di grafite e diamante. È un componente importante del carbone, del calcare e del petrolio, ed è in grado di autoassociarsi chimicamente per formare un'ampia varietà di molecole di valore chimico, biologico e commerciale. (Nella ricerca sul clima) Il termine carbonio è talvolta usato quasi in modo intercambiabile con anidride carbonica per riferirsi al potenziale impatto che un'azione, un prodotto, una politica o un processo può avere sul riscaldamento a lungo termine dell'atmosfera.
Anidride carbonica: (o CO₂) è un gas incolore e inodore prodotto da tutti gli animali quando l'ossigeno che respirano reagisce con il cibo ricco di carbonio che mangiano. L'anidride carbonica viene rilasciata anche quando la materia organica, compresi i combustibili fossili come petrolio o gas naturale, viene bruciata. L'anidride carbonica è un gas serra che intrappola il calore nell'atmosfera terrestre. Le piante convertono l'anidride carbonica in ossigeno attraverso la fotosintesi e utilizzano questo processo per produrre il proprio cibo.
Cemento: un legante utilizzato per tenere insieme due materiali, facendoli indurire in un solido, o una colla densa utilizzata per tenere insieme due materiali. (Edilizia) Un materiale finemente macinato utilizzato per legare insieme sabbia o roccia frantumata per formare il calcestruzzo. Il cemento è solitamente prodotto in polvere. Ma una volta bagnato, si trasforma in una poltiglia fangosa che indurisce una volta asciutto.
Chimico: una sostanza composta da due o più atomi combinati (legati) in una proporzione e struttura fisse. Ad esempio, l'acqua è una sostanza chimica composta da due atomi di idrogeno legati a un atomo di ossigeno. La sua formula chimica è H₂O. "Chimico" può anche essere usato come aggettivo per descrivere le proprietà di una sostanza che risultano da varie reazioni tra diversi composti.
Legame chimico: una forza di attrazione tra atomi sufficientemente forte da far sì che gli elementi legati funzionino come un'unità. Alcune attrazioni sono deboli, altre sono forti. Tutti i legami sembrano connettere gli atomi condividendo (o tentando di condividere) elettroni.
Reazione chimica: processo che comporta una riorganizzazione delle molecole o delle strutture di una sostanza piuttosto che un cambiamento nella sua forma fisica (ad esempio, da solido a gas).
Chimica: la branca della scienza che studia la composizione, la struttura, le proprietà e le interazioni delle sostanze. Gli scienziati usano queste conoscenze per studiare sostanze sconosciute, per riprodurre sostanze utili in grandi quantità o per progettare e creare nuove sostanze utili. (di composti chimici) La chimica si riferisce anche alla formula di un composto, al metodo con cui viene preparato o ad alcune delle sue proprietà. Le persone che lavorano in questo campo sono chiamate chimici. (nelle scienze sociali) la capacità delle persone di cooperare, andare d'accordo e godere della reciproca compagnia.
Cambiamento climatico: un cambiamento significativo e a lungo termine del clima terrestre. Può verificarsi naturalmente o come conseguenza di attività umane, tra cui la combustione di combustibili fossili e la deforestazione.
Decarbonizzazione: si riferisce alla transizione intenzionale da tecnologie, attività e fonti energetiche inquinanti che emettono nell'atmosfera gas serra derivati ​​dal carbonio, come anidride carbonica e metano. L'obiettivo è ridurre la quantità di gas serra che contribuiscono al cambiamento climatico.
Elettricità: flusso di carica elettrica, solitamente derivante dal movimento di particelle cariche negativamente chiamate elettroni.
Elettrone: particella carica negativamente che solitamente orbita nella regione esterna di un atomo; è anche il portatore di elettricità nei solidi.
Ingegnere: qualcuno che usa la scienza e la matematica per risolvere problemi. Quando usato come verbo, il termine "ingegnere" si riferisce alla progettazione di un dispositivo, materiale o processo per risolvere un problema o un'esigenza insoddisfatta.
Etanolo: alcol, detto anche alcol etilico, che costituisce la base di bevande alcoliche come birra, vino e liquori. Viene utilizzato anche come solvente e combustibile (ad esempio, spesso miscelato con la benzina).
Filtro: (n.) Qualcosa che consente il passaggio di alcuni materiali e di altri, a seconda delle loro dimensioni o di altre caratteristiche. (v.) Il processo di selezione di determinate sostanze in base a proprietà quali dimensioni, densità, carica, ecc. (in fisica) Uno schermo, una lastra o uno strato di una sostanza che assorbe la luce o altre radiazioni o impedisce selettivamente il passaggio di alcuni dei suoi componenti.
Formiato: termine generico per indicare sali o esteri dell'acido formico, una forma ossidata di un acido grasso. (Un estere è un composto a base di carbonio formato sostituendo gli atomi di idrogeno di alcuni acidi con determinati tipi di gruppi organici. Molti grassi e oli essenziali sono esteri di acidi grassi presenti in natura.)
Combustibile fossile: qualsiasi combustibile, come carbone, petrolio greggio o gas naturale, che si è formato nel corso di milioni di anni all'interno della Terra dai resti in decomposizione di batteri, piante o animali.
Combustibile: qualsiasi sostanza che rilascia energia attraverso una reazione chimica o nucleare controllata. I combustibili fossili (carbone, gas naturale e petrolio) sono combustibili comuni che rilasciano energia attraverso reazioni chimiche quando riscaldati (solitamente fino al punto di combustione).
Cella a combustibile: dispositivo che converte l'energia chimica in energia elettrica. Il combustibile più comune è l'idrogeno, il cui unico sottoprodotto è il vapore acqueo.
Geologia: aggettivo che descrive tutto ciò che riguarda la struttura fisica della Terra, i suoi materiali, la sua storia e i processi che vi si verificano. Le persone che lavorano in questo campo sono chiamate geologi.
Riscaldamento globale: un graduale aumento della temperatura complessiva dell'atmosfera terrestre dovuto all'effetto serra. L'effetto è causato dall'aumento dei livelli di anidride carbonica, clorofluorocarburi e altri gas nell'aria, molti dei quali emessi dalle attività umane.
Idrogeno: l'elemento più leggero dell'universo. Allo stato gassoso, è incolore, inodore ed estremamente infiammabile. È un componente di molti combustibili, grassi e sostanze chimiche che compongono i tessuti viventi. È costituito da un protone (il nucleo) e da un elettrone che gli orbita attorno.
Innovazione: (v. innovare; agg. innovare) Un adattamento o un miglioramento di un'idea, di un processo o di un prodotto esistente per renderlo più nuovo, più intelligente, più efficiente o più utile.
Liscivia: nome generico della soluzione di idrossido di sodio (NaOH). La liscivia viene spesso miscelata con oli vegetali o grassi animali e altri ingredienti per produrre saponette.
Scienziato dei materiali: un ricercatore che studia la relazione tra la struttura atomica e molecolare di un materiale e le sue proprietà generali. Gli scienziati dei materiali possono sviluppare nuovi materiali o analizzare quelli esistenti. Analizzare le proprietà generali di un materiale, come densità, resistenza e punto di fusione, può aiutare ingegneri e altri ricercatori a selezionare i materiali migliori per nuove applicazioni.
Molecola: gruppo di atomi elettricamente neutri che rappresenta la quantità minima possibile di un composto chimico. Le molecole possono essere composte da un solo tipo di atomo o da diversi tipi di atomi. Ad esempio, l'ossigeno nell'aria è composto da due atomi di ossigeno (O₂), mentre l'acqua è composta da due atomi di idrogeno e un atomo di ossigeno (H₂O).
Inquinante: una sostanza che contamina qualcosa, come l'aria, l'acqua, le persone o il cibo. Alcuni inquinanti sono sostanze chimiche, come i pesticidi. Altri inquinanti possono essere radiazioni, tra cui calore o luce eccessivi. Anche le erbe infestanti e altre specie invasive possono essere considerate una forma di biofouling.
Potente: aggettivo che si riferisce a qualcosa di molto forte o potente (come un germe, un veleno, una medicina o un acido).
Rinnovabile: aggettivo che si riferisce a una risorsa che può essere sostituita indefinitamente (come acqua, piante verdi, luce solare e vento). Questo termine si contrappone alle risorse non rinnovabili, la cui disponibilità è limitata e può essere effettivamente esaurita. Le risorse non rinnovabili includono il petrolio (e altri combustibili fossili) o elementi e minerali relativamente rari.