System til at befri rumstationen for astronautudåndinger inspirerer jordbaseret CO2-fjernelse

Når astronauter ombord på den internationale rumstation (ISS) udånder kuldioxid (CO2), det er fjernet fra luften og pumpet ud i rummet. Kunne en jordbaseret version hjælpe med at fjerne drivhusgasemissioner fra vores atmosfære?

For at begrænse den globale opvarmning til 1,5˚C over det førindustrielle niveau og undgå nogle af de værre konsekvenser af klimaændringer, det betyder, at alle 42 milliarder tons årlige CO2 -emissioner elimineres i 2050.

En måde at gøre dette på er at reducere emissionerne. En anden er at designe materialer, der kan fjerne den CO2, der allerede er i atmosfæren, eller før den udstødes. Problemet er, at ingen helt har fundet ud af, hvordan man bedst gør dette – endnu.

Luftfiltersystemet i rummet inspirerede professor Stefano Brandani og Dr. Giulio Santori fra University of Edinburgh, Storbritannien, at udvikle en måde at opfange og koncentrere CO2 direkte fra atmosfæren. Denne ambitiøse strategi-at bygge et såkaldt kunstigt træ-ville få CO2 fanget til at blive lagret i store underjordiske reservoirer.

Zeolit

CO2 indåndet af astronauter ombord på ISS fanges ved at bruge et svampelignende mineral kaldet en zeolit, som har bittesmå porer til at fastlåse et CO2-molekyle. På rumstationen, zeolitterne tømmer deres CO2, når de udsættes for rummets vakuum.

Som en del af et projekt kaldet ACCA, Dr. Santori hacker systemet, så det vil fungere på Jorden. Dette er mere udfordrende. "Der er så meget mere CO2 at fange, og koncentrationerne er mere fortyndede til at begynde med på Jorden, så det er meget mere energikrævende, " forklarede han. "Startkoncentrationen af ​​CO2 på ISS er en størrelsesorden højere."

Det nye system fungerer ved at have en række zeolit-adsorptionslejer. Hver optager CO2, koncentrerer det lidt og frigiver det, når det varmes op. "Det er som en svamp. Man regenererer materialet ved hjælp af varme. Når det er koldt, det tager meget (co2), " sagde Dr. Santori.

Denne CO2 flytter derefter ind i et nyt adsorptionsleje, hvilket igen skubber gasmolekylerne tættere på. Gassen bliver derved komprimeret mere for hvert trin, uden behov for bevægelige dele som vakuumpumper. Temperaturændringer er motoren i denne proces. Opvarmning og afkøling af det svampede materiale får det til at frigive gassen, og fylde mere.

Med fem senge af zeolitter, tømmes med varme – som kunne være spildvarme fra et industrianlæg – og afkøles ved omgivelsestemperatur, CO2 kunne fanges med en renhed på over 95 %, med lidt energiforbrug.

"Hvis du kunne fange CO2 fra luften, dette vil tillade dig at komprimere det og opbevare det i et nærliggende geologisk anlæg, " sagde Dr. Santori, der mener, at CO2-opsamling og -lagring i stor skala er den ideelle strategi til at reducere CO2 i atmosfæren.

På lang sigt, Zeolitter kunne bruges i stationer, der kunne fange CO2 direkte fra luften – men det er langt ude, da komprimering af CO2 blot er en del af problemet. Fordi CO2 er meget fortyndet i den omgivende luft, teknologi som gigantiske fans ville være nødvendig for at suge den mod stationerne uden at bruge for meget energi eller penge - noget der stadig er en for høj hindring for nuværende teknologier. Prof. Brandani sagde:"Spørgsmålet er, hvor meget det koster, og hvem der så ejer CO2."

En mulighed på kortere sigt er at fokusere på at fjerne CO2 fra de affaldsgasser, som industrien producerer, før det frigives til atmosfæren.

CO2 udspyder fra fossile kraftværker, men industrier som stål og cement udleder også masser af CO2. De kemiske reaktioner, der er nødvendige for at gøre kalksten til cement, for eksempel, frigivet CO2-gas og cementfremstilling alene frigiver 7 % af alle globale kulstofemissioner.

Membraner

Ideen er at installere membraner, der fanger CO2, som derefter kan koncentreres og komprimeres til opbevaring. "Membraner er effektive og kan spare energi sammenlignet med andre systemer, " sagde professor Marco Giacinti Baschetti ved universitetet i Bologna, Italien.

I traditionelle strategier, der anvendes af industrier som kulværker, CO2 fanges i specielle væsker eller faste svampelignende strukturer, men disse skal så varmes op for at frigive CO2. Dette er ikke nødvendigt med membraner. Alle eksisterende teknologier, imidlertid, er dyre. Nuværende membranmaterialer er ikke holdbare nok og adskiller ikke CO2 godt nok til at være økonomisk fornuftige.

Prof. Baschetti driver et projekt kaldet NANOMEMC ² som udvikler en række forskellige membraner til CO2-opsamling. I november, holdet skal teste en ny membran i en Colacem cementfabrik i Italien.

Udviklet af projektforskere ved Norges Tekniske og Naturvidenskabelige Universitet, membranen er lavet af hule fibre, omkring en millimeter tyk, og dækket med et ekstremt tyndt lag af nanocellulose og polymer blandet med kunstige aminosyrer. Nanocellulosen, som er lavet af små fibre fra træ, tillader CO2 at trænge igennem, mens de blokerer for andre gasser. Aminosyren griber ind i CO2 og trækker det over membranen.

"Cementfabrikker genererer CO2 fra forbrænding og fra fremstilling af cement, så deres røggas er høj i CO2, " sagde Prof. Baschetti. "Vi vil føre denne gas gennem vores membran for at udskille CO2, men selvfølgelig, når du gør dette i industrien, noget støv og urenheder vil være til stede. Vi vil se, om vores membran stadig kan fungere korrekt med denne rigtige røggas." Membranen vil også blive testet på University of Sheffield, Storbritannien.

Dette projekt har ikke placeret alle sine spillechips på én membran. "Vi startede i laboratoriet og screenede mere end 60 typer membraner, " sagde Dr. Maria-Chiara Ferrari, en videnskabsmand på projektet ved University of Edinburgh, Storbritannien. Der er omkring fire membrankandidater førende, som er baseret på faciliteret transport – det er, når et bærermolekyle hjælper med at hægte sig på CO2 og transportere det over membranen.

Selvom det lyder lovende, teknologien er stadig på et meget tidligt – og lille – stadie. Membranerne lavet indtil videre i laboratoriet passer i håndfladen, hvorimod testmembranerne vil være på størrelse med en A4-side. "En fuld virkelig fabrik vil have brug for hundredtusindvis af kvadratmeter, og den komplette separationsenhed vil fylde omkring tre forsendelsescontainere i volumen, " forklarede Dr. Ferrari.