Νέο φίλτρο για εργοστάσια παράγει καύσιμα από τα καυσαέρια

Τα ρυπογόνα εργοστάσια λιγνίτη επιδεινώνουν την κλιματική αλλαγή απελευθερώνοντας στην ατμόσφαιρα διοξείδιο του άνθρακα. Στο μέλλον, όμως, το CO₂ θα μπορούσε να κατακρατείται από ένα νέο φίλτρο που μετατρέπει το αέριο σε πρώτες ύλες για τη χημική βιομηχανία.

Ερευνητές στις ΗΠΑ και την Ολλανδία αναφέρουν στην επιθεώρηση Nature Materials ότι ανέπτυξαν μια νέα μέθοδο για την μετατροπή του διοξειδίου του άνθρακα σε μονοξείδιο του άνθρακα –πρόκειται για ένα δηλητηριώδες αέριο, το οποίο όμως μπορεί εύκολα να μετατραπεί σε μεθάνιο (φυσικό αέριο), αιθανόλη ή άλλους υδρογονάνθρακες.

Με άλλα λόγια, το νέο φίλτρο όχι μόνο θα περιόριζε τις εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου, αλλά θα προσέφερε επιπλέον μια νέα πηγή υδρογονανθράκων για κάθε χρήση.

Τουλάχιστον στη θεωρία, μια και το νέο πειραματικό σύστημα έχει μικροσκοπικές διαστάσεις, και θα έπρεπε να μεγεθυνθεί δραματικά πριν αξιοποιηθεί στην πράξη.

Όπως εξηγεί η ερευνητική ομάδα σε ανακοίνωσή της, η νέα μέθοδος βασίζεται σε μια αντίδραση γνωστή εδώ και καιρό: το διοξείδιο του άνθρακα περνά πάνω από μια επιφάνεια γραφίτη, ο οποίος ενώνεται χημικά με ένα από τα δύο άτομα οξυγόνου στο μόριο του διοξειδίου, προκαλώντας έτσι την αναγωγή του σε μονοξείδιο. Πιο απλά, η αντίδραση αφαιρεί οξυγόνο από το CO₂ και το μετατρέπει σε CO.

Το πρόβλημα με την αντίδραση αυτή είναι ότι είναι ενδόθερμη, απαιτεί δηλαδή παροχή ενέργειας. Για τον λόγο αυτό ήταν εφικτή ως σήμερα μόνο σε υψηλές θερμοκρασίες, γύρω στους 700 βαθμούς Κελσίου, μια απαίτηση που καθιστά αρκετά ενεργοβόρα την κατακράτηση του CO2 από τα καυσαέρια των εργοστασίων.

Η νέα μελέτη προτείνει τώρα μια παραλλαγή της αντίδρασης που λειτουργεί σε θερμοκρασία δωματίου. Αντί για θερμότητα, η νέα μέθοδος χρησιμοποιεί ενέργεια από «εντοπισμένα επιφανειακά πλασμόνια», κύματα ηλεκτρονίων που εξαπλώνονται στην επιφάνεια μετάλλων.

Η πειραματική διάταξη της μελέτης αποτελείται από μια επιφάνεια γραφίτη πάνω στην οποία έχουν αποτεθεί νανοσωματίδια αλουμινίου. Μια δέσμη ηλεκτρονίων διεγείρει τα μεταλλικά νανοσωματίδια για να παράγει πλασμόνια, τα οποία με τη σειρά τους προσφέρουν ενέργεια για την αντίδραση του CO₂ με τον γραφίτη.

Προηγούμενες μέθοδοι για το φιλτράρισμα του διοξειδίου από τα καυσαέρια έχουν περιορισμένη εφαρμογή επειδή προσφέρουν χαμηλή απόδοση και απαιτούν υψηλή θερμοκρασία ή πίεση. Η νέα προσέγγιση όχι μόνο εξοικονομεί ενέργεια αλλά βασίζεται επιπλέον στο αλουμίνιο, ένα σχετικά φθηνό μέταλλο που υπάρχει σε αφθονία.

Το μόνο πρόβλημα είναι το μέγεθος: η δέσμη ηλεκτρονίων που χρησιμοποιήθηκε για τη διέγερση του αλουμινίου έχει μικρό μέγεθος, γι’ αυτό και η πειραματική διάταξη έχει πλάτος μόλις 20 νανόμετρα, περίπου όσο η διάμετρος ενός μικρού ιού.

Οι ερευνητές πιστεύουν πάντως ότι η δέσμη ηλεκτρονίων μπορεί να αντικατασταθεί από μια ισχυρή δέσμη φωτός, κάτι που θα επέτρεπε τη δημιουργία φίλτρων αρκετά μεγάλων για βιομηχανική χρήση.

To φίλτρο θα είχε τη μορφή διαφανούς πλέγματος που περιέχει άνθρακα και νανοσωματίδια αλουμινίου. Καθώς τα καυσαέρια διέρχονται από το πλέγμα, μια ισχυρή δέσμη φωτός διεγείρει τα νανοσωματίδια ώστε να προσφέρουν ενέργεια για την αντίδραση αναγωγής. Τα νανοσωματίδια αλουμινίου, επισημαίνουν οι ερευνητές, είναι ήδη εμπορικά διαθέσιμα.

Επιπλέον, η ίδια προσέγγιση θα μπορούσε να εφαρμοστεί και για άλλες ενδόθερμες αντιδράσεις που καταναλώνουν μεγάλες ποσότητες ενέργειας.

Όπως λέει η Ρίνου Σάρμα του αμερικανικού Εθνικού Ινστιτούτου Προτύπων και Τεχνολογίας (NIST), μέλος της ερευνητικής ομάδας, «η αναγωγή του διοξειδίου του άνθρακα είναι μεγάλη υπόθεση, θα ήταν όμως ακόμα σημαντικότερη, και θα εξοικονομούσε τεράστια ποσά ενέργειας, αν μπορούμε να πετύχουμε σε θερμοκρασία δωματίου τις πολυάριθμες αντιδράσεις που σήμερα απαιτούν θερμότητα».