كيف يعيد الباحثون تصنيع “البتروكيماويات الأكثر استخدامًا في العالم” – دون استخدام الوقود الأحفوري | ما هو ممكن؟ اسأل تورنتو
شامبو. مضاد للتجمد. تغليف الطعام. الالكترونيات والمنسوجات ومواد البناء. تحتوي هذه الأشياء وغيرها الكثير على عنصر مشترك واحد: أنها تحتوي على الإيثيلين، وهو البتروكيماويات الأكثر إنتاجًا واستخدامًا على نطاق واسع في العالم، والذي يستخدم للمساعدة في جعل المنتجات خفيفة الوزن أو متينة أو مقاومة للماء.
لكن إنتاج الإيثيلين التقليدي يطلق كميات هائلة من الغازات الدفيئة التي تساهم في أزمة المناخ. لا يستخدم الإيثيلين الوقود الأحفوري فقط، وخاصة الغاز الطبيعي، كمواد خام مكونة له، بل يستخدم أيضًا الوقود الأحفوري كمصدر للطاقة لإنتاجه.
تقول الدكتورة كريستين غاباردو، زميلة ما بعد الدكتوراه السابقة في جامعة تورنتو، والتي تقود ابتكارًا خارقًا يصنع الإيثيلين بدون وقود أحفوري: “مقابل كل طن من الإيثيلين، ينبعث ما بين طن إلى طنين من ثاني أكسيد الكربون من خلال عملية التصنيع التقليدية”. ومستعد لتوسيع نطاقه تجاريًا.
شارك غاباردو في تأسيس شركة CERT Systems Inc، وهي شركة ناشئة تعمل على تطوير التكنولوجيا المتطورة اللازمة لإزالة الوقود الأحفوري كمواد خام مكونة للإيثيلين، وكذلك من العمليات كثيفة الكربون اللازمة لإنتاجه.
وتقول: “ينتج المنتجون العالميون حوالي 200 مليون طن سنويًا من الإيثيلين، ومن المتوقع أن ينمو ذلك بشكل كبير خلال العقد المقبل، لأن الإيثيلين يعد جزيءًا مهمًا من لبنة البناء التي تدخل في العديد من المنتجات النهائية”.
الآن يوضح غاباردو، كبير مسؤولي التكنولوجيا في CERT، أن الفريق تمكن من إنتاج الإيثيلين باستخدام عملية تسمى ثاني أكسيد الكربون2 التحليل الكهربائي الذي يعمل في درجات الحرارة المحيطة ومدخل الطاقة الوحيد هو الكهرباء المتجددة. يشكل النحاس أساس المحفز الذي يقسم الماء وثاني أكسيد الكربون، ثم يحولهما إلى هيدروكربونات مثل الإيثيلين. لا توجد انبعاثات ضارة ويمكن استخدام جميع المنتجات الثانوية الكيميائية في العمليات الصناعية المختلفة.
“المستقبل كهربائي. يقول الدكتور أليكس إيب، الذي شارك في تأسيس شركة CERT Systems مع غاباردو: “من المتوقع أن نضاعف قدرتنا من الكهرباء المتجددة في هذا العقد”. “سيسمح لنا هذا بتحويل التصنيع الكيميائي باستخدام ثاني أكسيد الكربون2 التحليل الكهربائي ووقف اعتمادنا على الوقود الأحفوري”.
يقول غاباردو إن مهمة CERT هي إحداث تأثير كبير بهذه التكنولوجيا، موضحًا كيف تستخدم هذه العملية الجديدة ثاني أكسيد الكربون فعليًا، إما من التقاط الهواء المباشر أو المصادر الصناعية، بدلاً من إنتاجه. “نحن نستهلك ثلاثة أطنان من ثاني أكسيد الكربون لكل طن من الإيثيلين الذي ننتجه، بدلا من انبعاثه من خلال عملية درجات الحرارة المرتفعة.”
لذا، مع استخدام ثاني أكسيد الكربون كمادة خام، إلى جانب عدم إنتاج انبعاثات الكربون، يقول غاباردو إن هذه الطريقة الجديدة تتجنب ما يصل إلى خمسة أطنان من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون لكل طن من الإيثيلين المنتج. وتضيف أن هذا الإيثيلين مطابق كيميائيًا للإيثيلين العادي، لذلك لن يحتاج إلى إعادة اعتماده – فهو ببساطة يمكن أن يدخل في عدد كبير من التطبيقات الصناعية الحالية.
قام فريق غاباردو من المهندسين وعلماء الكيمياء الكهربائية وخبراء المواد لأول مرة بعرض هذه الطريقة بنجاح على نطاق معملي في حاوية بحجم مكعب روبيك. في عام 2020، عندما وصلت CERT Systems إلى نهائيات مسابقة NRG COSIA Carbon XPRIZE، تمت زيادة ذلك بنحو 10000 مرة لنشر طيار في وحدة بحجم حاوية شاحنة يمكنها معالجة 100 كجم من ثاني أكسيد الكربون يوميًا. وبعد ذلك، انبثقت أنظمة CERT من الجامعة وحصلت على منح من هيئة الموارد الطبيعية الكندية لتحسين كفاءة استخدام الطاقة واستدامة العملية. في عام 2022، تم تسمية كل من غاباردو وإيب بزمالة Breakthrough Energy Innovator Fellows من قبل مؤسسة Breakthrough Energy Foundation المدعومة من بيل جيتس، حيث حصلا على تمويل لإثبات التقاط الهواء المباشر للإيثيلين. وتقول إن الهدف الآن هو تطبيق هذه التحسينات على نظام أكبر بكثير.
أحد المؤسسين المشاركين الآخرين لأنظمة CERT هو ديفيد سينتون، أستاذ الهندسة الميكانيكية في جامعة تورنتو، الذي يأمل أن تؤدي الطبيعة المعيارية لهذه التقنية إلى تمكين التوسع التجاري: “تمامًا كما تحتوي خوادم الويب على مزارع خوادم بدلاً من مجموعة ضخمة واحدة”. يقول: “الخادم، يمكننا مضاعفة عدد الوحدات المتوفرة لدينا وهذا يمنحنا طريقًا، من النطاق الصغير إلى النطاق الكبير”، مضيفًا أن القدرة على تحمل التكاليف ستشكل تحديًا كبيرًا.
يقول سينتون: “إن السبب وراء إنتاج الإيثيلين بهذا الحجم المذهل هو أنه يتم إنتاجه بسعر رخيص، وأن نقطة السعر المنخفضة هذه تمثل عائقًا أمام التقنيات الجديدة”. “نعم، لدينا الدافع لنصبح قادة عالميين في مجال تكنولوجيا الطاقة الخضراء ولكن الدافع الأكبر هو التخفيف الشامل من ثاني أكسيد الكربون2 الانبعاثات – نحن بحاجة إلى تقنيات لا نملكها حاليًا. وإلا فإن مشاكلنا الاجتماعية ستكون مستعصية على الحل”.
يتفق غاباردو وسينتون على أن التفكير المتنوع هو مفتاح حل المشكلات – وكما تعمل أنظمة CERT مع مجموعة واسعة من الأكاديميين، فإن جامعة تورنتو تشجع المزيد من التعاون بين كليات متعددة، حتى في المراحل الأولى من البحث الأكاديمي من خلال المناخ الجديد. مبادرة الطاقة الإيجابية. يجمع هذا المركز، بقيادة سينتون، المهندسين والعلماء مع خبراء في السياسة والقانون والأعمال والاقتصاد والعلوم الاجتماعية لتطوير حلول الطاقة النظيفة التي ستكون مجدية لتطبيقات العالم الحقيقي. حتى لو نجحت الكيمياء، على سبيل المثال، فإن النهج متعدد التخصصات فقط هو الذي سيحدد ما إذا كانت بعض تقنيات المناخ ستكون مجدية ومقبولة من قبل المجتمع.
إذًا ما هو الممكن بالنسبة لأنظمة CERT؟ ومع التحرك نحو التوسع التجاري، فإن الأمر يتعلق بأكثر من مجرد الإيثيلين. كما يقول غاباردو، باستخدام محفزات مختلفة أو تغيير ظروف التفاعل، يمكن تصنيع مواد كيميائية مفيدة أخرى باستخدام ثاني أكسيد الكربون: “نحن في مهمة لتغيير الطريقة التي يتم بها تصنيع جميع المواد الكيميائية الأكثر أهمية في العالم باستخدام الكيمياء الكهربائية النظيفة، “، كما تقول. “على نطاق واسع، هذا لديه القدرة على تجنب جيجا طن من الانبعاثات، لذلك سيحدث فرقًا كبيرًا بينما نحاول إزالة الكربون من نظام التصنيع والطاقة بأكمله.”
تعرف على المجتمع الاستثنائي الذي يتخطى حدود ما هو ممكن على utoronto.ca/news
