Cementfabrieken zoals die hier afgebeeld zijn een belangrijke bron van klimaatverwarmende koolstofdioxide. Maar een deel van deze vervuilende stoffen kan worden omgezet in een nieuw type brandstof. Dit zout kan tientallen jaren of zelfs langer veilig worden opgeslagen.
Dit is een nieuw artikel in een serie over nieuwe technologieën en maatregelen die de klimaatverandering kunnen vertragen, de gevolgen ervan kunnen verminderen of gemeenschappen kunnen helpen om te gaan met een snel veranderende wereld.
Activiteiten die kooldioxide (CO2), een veelvoorkomend broeikasgas, uitstoten, dragen bij aan de opwarming van de atmosfeer. Het idee om CO2 uit de lucht te halen en op te slaan is niet nieuw. Maar het is moeilijk te realiseren, vooral voor mensen die het zich kunnen veroorloven. Een nieuw systeem lost het probleem van CO2-vervuiling op een iets andere manier op. Het zet het klimaatopwarmende gas chemisch om in brandstof.
Op 15 november publiceerden onderzoekers van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge hun baanbrekende resultaten in het tijdschrift Cell Reports Physical Science.
Hun nieuwe systeem is verdeeld in twee delen. Het eerste deel omvat het omzetten van koolstofdioxide uit de lucht in een molecuul genaamd formiaat om brandstof te produceren. Net als koolstofdioxide bevat formiaat één koolstofatoom en twee zuurstofatomen, evenals één waterstofatoom. Formiaat bevat ook verschillende andere elementen. In het nieuwe onderzoek werd formiaatzout gebruikt, dat wordt gewonnen uit natrium of kalium.
De meeste brandstofcellen werken op waterstof, een brandbaar gas dat via pijpleidingen en onder druk staande tanks getransporteerd moet worden. Brandstofcellen kunnen echter ook op formiaat werken. Formiaat heeft een energie-inhoud die vergelijkbaar is met die van waterstof, aldus Li Ju, materiaalkundige en leider van de ontwikkeling van het nieuwe systeem. Formiaat heeft enkele voordelen ten opzichte van waterstof, merkte Li Ju op. Het is veiliger en hoeft niet onder hoge druk te worden opgeslagen.
Onderzoekers van MIT hebben een brandstofcel ontwikkeld om formiaat te testen, een zout dat ze produceren uit koolstofdioxide. Eerst mengden ze het zout met water. Dit mengsel werd vervolgens in een brandstofcel gebracht. In de brandstofcel gaf het formiaat elektronen vrij in een chemische reactie. Deze elektronen stroomden van de negatieve elektrode van de brandstofcel naar de positieve elektrode, waardoor een elektrisch circuit werd gesloten. Deze stromende elektronen – een elektrische stroom – waren gedurende 200 uur aanwezig tijdens het experiment.
Zhen Zhang, een materiaalkundige die samenwerkt met Li aan het MIT, is optimistisch dat zijn team de nieuwe technologie binnen tien jaar op grotere schaal zal kunnen toepassen.
Het onderzoeksteam van MIT gebruikte een chemische methode om koolstofdioxide om te zetten in een belangrijk ingrediënt voor brandstofproductie. Eerst stelden ze het bloot aan een sterk alkalische oplossing. Ze kozen natriumhydroxide (NaOH), beter bekend als loog. Dit zet een chemische reactie in gang die natriumbicarbonaat (NaHCO3) produceert, beter bekend als baksoda.
Vervolgens schakelden ze de stroom in. De elektrische stroom veroorzaakte een nieuwe chemische reactie die elk zuurstofatoom in het baksodamolecuul splitste, waardoor natriumformiaat (NaCHO2) overbleef. Hun systeem zette bijna alle koolstof in CO2 – meer dan 96 procent – ​​om in dit zout.
De energie die nodig is om de zuurstof te verwijderen, is opgeslagen in de chemische bindingen van formiaat. Professor Li merkte op dat formiaat deze energie tientallen jaren kan opslaan zonder potentiële energie te verliezen. Vervolgens wekt het elektriciteit op wanneer het door een brandstofcel stroomt. Als de elektriciteit die gebruikt wordt om formiaat te produceren afkomstig is van zonne-, wind- of waterkracht, is de elektriciteit die door de brandstofcel wordt opgewekt een schone energiebron.
Om de nieuwe technologie op grotere schaal toe te passen, zei Lee: "We moeten rijke geologische loogbronnen vinden." Hij bestudeerde een gesteentesoort genaamd alkalibasalt (AL-kuh-lye buh-SALT). Wanneer deze gesteenten met water worden gemengd, veranderen ze in loog.
Farzan Kazemifar is ingenieur aan de San Jose State University in Californië. Zijn onderzoek richt zich op de opslag van koolstofdioxide in ondergrondse zoutformaties. Het verwijderen van koolstofdioxide uit de lucht is altijd moeilijk en daardoor duur geweest, zegt hij. Daarom is het rendabel om CO2 om te zetten in bruikbare producten zoals formiaat. De kosten van het product kunnen de productiekosten compenseren.
Er is veel onderzoek gedaan naar het afvangen van koolstofdioxide uit de lucht. Zo beschreef een team wetenschappers van de Lehigh University onlangs een nieuwe methode om koolstofdioxide uit de lucht te filteren en om te zetten in baksoda. Andere onderzoeksgroepen slaan CO2 op in speciale gesteenten, waar het wordt omgezet in vaste koolstof die vervolgens kan worden verwerkt tot ethanol, een alcoholbrandstof. De meeste van deze projecten zijn kleinschalig en hebben nog geen significante impact gehad op het verminderen van de hoge koolstofdioxideconcentraties in de lucht.
Deze afbeelding toont een huis dat werkt op koolstofdioxide. Het apparaat dat hier te zien is, zet koolstofdioxide (de moleculen in de rode en witte bubbels) om in een zout genaamd formiaat (de blauwe, rode, witte en zwarte bubbels). Dit zout kan vervolgens in een brandstofcel worden gebruikt om elektriciteit op te wekken.
Kazemifar zei dat onze beste optie is om "eerst de uitstoot van broeikasgassen te verminderen". Een manier om dat te doen is door fossiele brandstoffen te vervangen door hernieuwbare energiebronnen zoals wind- of zonne-energie. Dit is onderdeel van een transitie die wetenschappers "decarbonisatie" noemen. Maar hij voegde eraan toe dat het stoppen van klimaatverandering een veelzijdige aanpak vereist. Deze nieuwe technologie is nodig om koolstof af te vangen in gebieden die moeilijk te decarboniseren zijn, zei hij. Neem bijvoorbeeld staalfabrieken en cementfabrieken.
Het MIT-team ziet ook voordelen in het combineren van hun nieuwe technologie met zonne- en windenergie. Traditionele batterijen zijn ontworpen om energie wekenlang op te slaan. Het opslaan van zomerzonlicht tot in de winter of langer vereist een andere aanpak. "Met formiaatbrandstof", aldus Lee, "ben je niet langer beperkt tot zelfs seizoensgebonden opslag. Het zou generaties lang kunnen meegaan."
Het glinstert misschien niet als goud, maar "ik kan 200 ton formiaat nalaten aan mijn zonen en dochters", zei Lee, "als erfenis."
Alkalisch: Een bijvoeglijk naamwoord dat een chemische stof beschrijft die in oplossing hydroxide-ionen (OH-) vormt. Deze oplossingen worden ook wel alkalisch genoemd (in tegenstelling tot zuur) en hebben een pH-waarde hoger dan 7.
Aquifer: Een gesteenteformatie die ondergrondse waterreservoirs kan bevatten. De term wordt ook gebruikt voor ondergrondse bekkens.
Basalt: Een zwart vulkanisch gesteente dat doorgaans zeer dicht is (tenzij een vulkaanuitbarsting grote gasbellen erin heeft achtergelaten).
Binding: (in de chemie) een semi-permanente verbinding tussen atomen (of groepen atomen) in een molecuul. Deze wordt gevormd door aantrekkingskrachten tussen de betrokken atomen. Zodra bindingen zijn gevormd, functioneren de atomen als één geheel. Om de samenstellende atomen te scheiden, moet energie in de vorm van warmte of andere straling aan de moleculen worden toegevoerd.
Koolstof: Een chemisch element dat de fysieke basis vormt van al het leven op aarde. Koolstof komt vrij voor in de vorm van grafiet en diamant. Het is een belangrijk bestanddeel van steenkool, kalksteen en aardolie, en kan chemisch zelfassociëren om een ​​grote verscheidenheid aan moleculen te vormen met chemische, biologische en commerciële waarde. (In klimaatonderzoek) De term koolstof wordt soms bijna door elkaar gebruikt met koolstofdioxide om te verwijzen naar de potentiële impact die een actie, product, beleid of proces kan hebben op de opwarming van de atmosfeer op de lange termijn.
Koolstofdioxide (of CO2) is een kleurloos, geurloos gas dat door alle dieren wordt geproduceerd wanneer de zuurstof die ze inademen reageert met het koolstofrijke voedsel dat ze eten. Koolstofdioxide komt ook vrij bij de verbranding van organisch materiaal, waaronder fossiele brandstoffen zoals olie of aardgas. Koolstofdioxide is een broeikasgas dat warmte vasthoudt in de atmosfeer van de aarde. Planten zetten koolstofdioxide om in zuurstof door middel van fotosynthese en gebruiken dit proces om hun eigen voedsel te produceren.
Cement: Een bindmiddel dat wordt gebruikt om twee materialen aan elkaar te binden, waardoor ze uitharden tot een vaste stof, of een dikke lijm die wordt gebruikt om twee materialen aan elkaar te binden. (Bouw) Een fijn gemalen materiaal dat wordt gebruikt om zand of gebroken steen samen te binden tot beton. Cement wordt meestal als poeder gemaakt. Maar zodra het nat wordt, verandert het in een modderige brij die uithardt wanneer het droogt.
Chemisch: Een stof die bestaat uit twee of meer atomen die in een vaste verhouding en structuur met elkaar verbonden zijn. Water is bijvoorbeeld een chemische stof die bestaat uit twee waterstofatomen die aan één zuurstofatoom gebonden zijn. De chemische formule is H₂O. "Chemisch" kan ook als bijvoeglijk naamwoord gebruikt worden om de eigenschappen van een stof te beschrijven die het resultaat zijn van verschillende reacties tussen verschillende verbindingen.
Chemische binding: Een aantrekkingskracht tussen atomen die sterk genoeg is om de verbonden elementen als een eenheid te laten functioneren. Sommige aantrekkingskrachten zijn zwak, andere sterk. Alle bindingen lijken atomen met elkaar te verbinden door elektronen te delen (of te proberen te delen).
Chemische reactie: Een proces waarbij de moleculen of structuren van een stof herschikken in plaats van dat de fysieke vorm verandert (bijvoorbeeld van vast naar gas).
Chemie: de tak van de wetenschap die de samenstelling, structuur, eigenschappen en interacties van stoffen bestudeert. Wetenschappers gebruiken deze kennis om onbekende stoffen te bestuderen, nuttige stoffen in grote hoeveelheden te produceren of nieuwe nuttige stoffen te ontwerpen en te creëren. (van chemische verbindingen) Chemie verwijst ook naar de formule van een verbinding, de bereidingswijze ervan of enkele van de eigenschappen. Mensen die in dit vakgebied werken, worden chemici genoemd. (in de sociale wetenschappen) het vermogen van mensen om samen te werken, goed met elkaar op te schieten en van elkaars gezelschap te genieten.
Klimaatverandering: Een significante, langdurige verandering in het klimaat van de aarde. Dit kan op natuurlijke wijze plaatsvinden of het gevolg zijn van menselijke activiteiten, waaronder het verbranden van fossiele brandstoffen en het kappen van bossen.
Decarbonisatie: verwijst naar de doelbewuste overgang van vervuilende technologieën, activiteiten en energiebronnen die koolstofhoudende broeikasgassen, zoals koolstofdioxide en methaan, in de atmosfeer uitstoten. Het doel is om de hoeveelheid koolstofgassen die bijdragen aan klimaatverandering te verminderen.
Elektriciteit: De stroom van elektrische lading, meestal het gevolg van de beweging van negatief geladen deeltjes, elektronen genaamd.
Elektron: een negatief geladen deeltje dat gewoonlijk rond de buitenste schil van een atoom cirkelt; het is ook de drager van elektriciteit in vaste stoffen.
Ingenieur: Iemand die wetenschap en wiskunde gebruikt om problemen op te lossen. Als werkwoord verwijst het woord ingenieur naar het ontwerpen van een apparaat, materiaal of proces om een ​​probleem of onvervulde behoefte op te lossen.
Ethanol: Een alcohol, ook wel ethylalcohol genoemd, die de basis vormt voor alcoholische dranken zoals bier, wijn en sterke drank. Het wordt ook gebruikt als oplosmiddel en brandstof (bijvoorbeeld vaak gemengd met benzine).
Filter: (zelfstandig naamwoord) Iets dat bepaalde materialen doorlaat en andere niet, afhankelijk van hun grootte of andere eigenschappen. (werkwoord) Het proces van het selecteren van bepaalde stoffen op basis van eigenschappen zoals grootte, dichtheid, lading, enz. (in de natuurkunde) Een scherm, plaat of laag van een stof die licht of andere straling absorbeert of selectief voorkomt dat bepaalde componenten ervan erdoorheen gaan.
Formaat: Een algemene term voor zouten of esters van mierenzuur, een geoxideerde vorm van een vetzuur. (Een ester is een koolstofverbinding die ontstaat door de waterstofatomen van bepaalde zuren te vervangen door bepaalde organische groepen. Veel vetten en etherische oliën zijn van nature voorkomende esters van vetzuren.)
Fossiele brandstof: Elke brandstof, zoals steenkool, aardolie (ruwe olie) of aardgas, die in de loop van miljoenen jaren in de aarde is gevormd uit de vergane resten van bacteriën, planten of dieren.
Brandstof: Elke stof die energie vrijgeeft door middel van een gecontroleerde chemische of nucleaire reactie. Fossiele brandstoffen (kolen, aardgas en olie) zijn veelvoorkomende brandstoffen die energie vrijgeven door chemische reacties wanneer ze worden verhit (meestal tot het punt van verbranding).
Brandstofcel: Een apparaat dat chemische energie omzet in elektrische energie. De meest gebruikte brandstof is waterstof, waarvan waterdamp het enige bijproduct is.
Geologie: Een bijvoeglijk naamwoord dat alles beschrijft wat te maken heeft met de fysieke structuur van de aarde, de materialen waaruit ze is opgebouwd, haar geschiedenis en de processen die zich erop afspelen. Mensen die in dit vakgebied werken, worden geologen genoemd.
Klimaatverwarming: Een geleidelijke stijging van de gemiddelde temperatuur van de aardatmosfeer als gevolg van het broeikaseffect. Dit effect wordt veroorzaakt door toenemende concentraties koolstofdioxide, chloorfluorkoolwaterstoffen en andere gassen in de lucht, waarvan vele afkomstig zijn van menselijke activiteiten.
Waterstof: Het lichtste element in het universum. Als gas is het kleurloos, geurloos en extreem brandbaar. Het is een bestanddeel van veel brandstoffen, vetten en de chemische stoffen waaruit levend weefsel bestaat. Het bestaat uit een proton (de kern) en een elektron dat eromheen draait.
Innovatie: (v. innoveren; adj. innoveren) Een aanpassing of verbetering van een bestaand idee, proces of product om het nieuwer, slimmer, efficiënter of nuttiger te maken.
Loog: De algemene benaming voor natriumhydroxide (NaOH)-oplossing. Loog wordt vaak gemengd met plantaardige oliën of dierlijke vetten en andere ingrediënten om zeep te maken.
Materiaalkundige: Een onderzoeker die de relatie bestudeert tussen de atomaire en moleculaire structuur van een materiaal en de algehele eigenschappen ervan. Materiaalkundigen kunnen nieuwe materialen ontwikkelen of bestaande materialen analyseren. Het analyseren van de algehele eigenschappen van een materiaal, zoals dichtheid, sterkte en smeltpunt, kan ingenieurs en andere onderzoekers helpen bij het selecteren van de beste materialen voor nieuwe toepassingen.
Molecuul: Een groep elektrisch neutrale atomen die de kleinst mogelijke hoeveelheid van een chemische verbinding vertegenwoordigt. Moleculen kunnen uit één type atoom of uit verschillende typen atomen bestaan. Zo bestaat de zuurstof in de lucht uit twee zuurstofatomen (O₂) en water uit twee waterstofatomen en één zuurstofatoom (H₂O).
Verontreinigende stof: Een stof die iets verontreinigt, zoals lucht, water, mensen of voedsel. Sommige verontreinigende stoffen zijn chemicaliën, zoals pesticiden. Andere verontreinigende stoffen kunnen straling zijn, waaronder overmatige hitte of licht. Zelfs onkruid en andere invasieve soorten kunnen als een vorm van biofouling worden beschouwd.
Krachtig: Een bijvoeglijk naamwoord dat verwijst naar iets dat zeer sterk of krachtig is (zoals een bacterie, gif, medicijn of zuur).
Hernieuwbaar: Een bijvoeglijk naamwoord dat verwijst naar een hulpbron die oneindig kan worden aangevuld (zoals water, groene planten, zonlicht en wind). Dit staat in contrast met niet-hernieuwbare hulpbronnen, die een beperkte voorraad hebben en in feite uitgeput kunnen raken. Niet-hernieuwbare hulpbronnen zijn bijvoorbeeld olie (en andere fossiele brandstoffen) of relatief zeldzame elementen en mineralen.