Вчені винайшли доступний спосіб остаточного видалення вуглекислого газу з атмосфери шляхом перетворення звичайних мінералів у високоактивні речовини, які спонтанно блокують CO2. Цей прорив може зіграти вирішальну роль у стримуванні глобального потепління шляхом усунення однієї з його основних причин. Нову методику розробили хіміки зі Стенфордського університету Метью Канан, професор хімії та старший автор статті, пояснив мотивацію досліджень уловлювання вуглецю.
«Земля має невичерпні запаси мінералів, які здатні видаляти CO2 з атмосфери, але вони просто не реагують досить швидко самі по собі, щоб протистояти викидам парникових газів людиною. Наша робота вирішує цю проблему таким чином, який, на нашу думку, є унікальним для масштабування».
Швидке видалення вуглецю за допомогою нової хімії
У природі силікатні мінерали поступово зв’язуються з CO2 через вивітрювання, утворюючи стабільні карбонати протягом сотень або тисяч років. Дослідники з усього світу давно шукають методи прискорення цього повільного процесу, який часто називають посиленим вивітрюванням. Канан і докторант Стенфордського університету Юсюань Чень знайшли спосіб змусити силікати швидко поглинати вуглець, завдяки тому, що Чен описує як «нову хімію».
«Ми передбачили нову хімію для активації інертних силікатних мінералів за допомогою простої реакції іонного обміну», — сказав Чен, який керував лабораторною роботою. «Ми не очікували, що це працюватиме так добре».
Прискорюючи мінеральні реакції, які в іншому випадку відбувалися б протягом століть, цей підхід має потенціал для видалення значної кількості вуглекислого газу з повітря за частку часу.
Ефективніше перетворення мінералів
Існуючі стратегії видалення вуглецю, такі як пряме захоплення повітря, часто покладаються на енергоємне обладнання, включаючи великі вентилятори, хімікати та інші методи фільтрації CO2. Вони можуть бути як дорогими, так і складними для масштабування. Навпаки, вчені зі Стенфорда вказують на енергозбереження свого підходу.
«Наш процес потребує менше половини енергії, яку використовують провідні технології прямого захоплення повітря, і ми вважаємо, що можемо бути дуже конкурентоспроможними з погляду витрат», — сказав Канан, який також є старшим науковим співробітником Інституту енергетики Precourt у Школі сталого розвитку Стенфорд Доерр.
У своїх експериментах команда нагрівала вапняк (карбонат кальцію) в печі для отримання оксиду кальцію, а потім поєднувала цей матеріал із силікатними мінералами, що містять магній. Коли дві речовини нагрівали разом, вони обмінювалися іонами та утворювали оксид магнію та силікат кальцію – обидва вони легко поглинають вуглець з повітря.
«Цей процес діє як мультиплікатор», — зазначив Канан. «Ви берете один реактивний мінерал, оксид кальцію та силікат магнію, які є більш-менш інертними, і ви створюєте два реакційноздатні мінерали».
Уловлювання вуглецю за допомогою простої хімії
Виробники цементу використовували печі протягом століть, обробляючи вапняк при високих температурах для створення ключових інгредієнтів для бетону. Стенфордський метод адаптує цей перевірений часом підхід, але замінює частину цементної суміші силікатами магнію. Коли ці новоутворені мінерали піддаються впливу води та вуглекислого газу – навіть у відносно низьких концентраціях, що знаходяться в навколишньому повітрі – вони спонтанно перетворюють CO2 на стабільні карбонати.
Лабораторні випробування показали, що вологі зразки оксиду магнію та силікату кальцію можуть затримувати вуглець протягом декількох тижнів або місяців, значно випереджаючи природне вивітрювання.
«Ви можете уявити собі поширення оксиду магнію та силікату кальцію на великі території для видалення CO2 з навколишнього повітря», — сказав Канан. «Одним із захоплюючих застосувань, який ми зараз тестуємо, є додавання їх у сільськогосподарський ґрунт. Під час вивітрювання мінерали перетворюються на бікарбонати, які можуть переміщатися через ґрунт і назавжди зберігатися в океані».
Потенційні вигоди для фермерів
Обробка ґрунту зазвичай включає карбонат кальцію (вапно) для підвищення рН, коли він занадто кислий. В принципі, фермери могли б перейти на ці нові реактивні мінерали замість звичайного вапна.
«Додавання нашого продукту позбавить від необхідності вапнування, оскільки обидва мінеральні компоненти є лужними», — пояснив Канан. «Крім того, коли силікат кальцію вивітрюється, він виділяє кремній у ґрунт у формі, яку можуть прийняти рослини, що може підвищити врожайність та стійкість. В ідеалі фермери платили б за ці мінерали, оскільки вони корисні для продуктивності ферми та здоров’я ґрунту, а як бонус – видалення вуглецю».
Збільшення масштабів для глобального впливу
За словами команди Канана, збільшення виробництва до значних масштабів потребуватиме перетворення мільйонів тонн силікатних мінералів щороку.
«Щороку в усьому світі утворюється понад 400 мільйонів тонн шахтних хвостів із відповідними силікатами, що є потенційно великим джерелом сировини», — сказав Чень. «За оцінками, на Землі є понад 100 000 гігатонн запасів олівіну та серпентину, яких достатньо, щоб назавжди видалити набагато більше CO2, ніж коли-небудь викидала людина».
Природний вуглецевий розчин
Після врахування викидів від нагрівальних печей, що використовують природний газ або біопаливо, дослідники підрахували, що кожна тонна кінцевого матеріалу може видалити з атмосфери одну тонну CO2. Для контексту, викиди вуглекислого газу з викопного палива перевищили 37 мільярдів тонн у 2024 році, демонструючи гостру потребу у широкомасштабних рішеннях.
«Суспільство вже придумало, як виробляти мільярди тонн цементу на рік, а цементні печі працюють десятиліттями», — сказав Канан. «Якщо ми скористаємося цими знаннями та розробками, з’явиться чіткий шлях, як перейти від лабораторних відкриттів до видалення вуглецю в значному масштабі».
Також ведеться робота над розробкою печей з електричним приводом у співпраці з доцентом електротехніки Джонатаном Фаном. У разі успіху ця інновація може зменшити або усунути вуглецевий слід процесу опалення, що ще більше підвищить кліматичні переваги. Поєднуючи добре запроваджені промислові методи з новою хімічною реакцією, цей підхід може запропонувати багатообіцяючий і відносно недорогий спосіб вилучення мільярдів тонн CO2 з атмосфери та допоможе пом’якшити прискорення наслідків зміни клімату. Дослідження опубліковано в журналі Nature.
