De beelden zijn alomtegenwoordig:een kustplaats die is gedecimeerd door een andere krachtige orkaan, satellietbeelden van krimpende poolijskappen, een school dode vissen drijvend op het oppervlak van opwarmend water, stukken land verbrand door een uit de hand gelopen bosbrand. Deze afschuwelijke afbeeldingen hebben een rode draad:ze bieden tastbaar bewijs dat klimaatverandering elke uithoek van de wereld treft.

Volgens NASA, De temperatuur van het aardoppervlak is sinds het begin van de industriële revolutie met 0,9 graden Celsius gestegen. Onderzoekers zijn het erover eens dat de stijging van de temperatuur één grote boosdoener heeft:de toegenomen uitstoot van broeikasgassen.

Broeikasgassen zoals koolstofdioxide, lachgas, en methaan houden allemaal warmte vast in onze atmosfeer, waardoor ze direct verantwoordelijk zijn voor klimaatverandering. Het voorkomen van deze gassen in onze atmosfeer is exponentieel toegenomen sinds het einde van de 19e eeuw als gevolg van de groei in het gebruik van fossiele brandstoffen over de hele wereld, productie, en transportindustrieën.

Een rapport van het Intergouvernementeel Panel over klimaatverandering van de VN (IPCC), uitgebracht op 8 oktober, 2018 waarschuwde dat als de temperatuur op aarde meer dan 1,5 C stijgt, de gevolgen zouden catastrofaal zijn. Hele ecosystemen kunnen verloren gaan, de zeespiegel zou hoger zijn, en extreme weersomstandigheden zouden nog vaker voorkomen. Volgens het IPCC het vermijden van dit scenario "vereist een snelle, ingrijpende en ongekende veranderingen in alle aspecten van de samenleving, ", waaronder een verlaging van het kooldioxidegehalte met 45 procent tegen 2030.

Onderzoekers van het MIT werken aan een groot aantal technologieën die de uitstoot van broeikasgassen in elke sector verminderen. Veel docenten kijken naar duurzame energie. Universitair hoofddocent Tonio Buonassisi en zijn team in het Photovoltaic Research Lab hopen de kracht van de zon te benutten, terwijl professor Alexander Slocum onderzoek heeft gedaan naar het efficiënter en economisch rendabeler maken van offshore windturbines.

Naast het verkennen van duurzame vormen van energie waarvoor geen fossiele brandstoffen nodig zijn, een aantal faculteitsleden van de afdeling Werktuigbouwkunde van MIT wenden zich tot technologieën die opslaan, vastlegging, overzetten, en de uitstoot van broeikasgassen tot een minimum te beperken door middel van zeer verschillende benaderingen.

Energieopslag verbeteren met keramiek

Voor duurzame energietechnologieën zoals geconcentreerde zonne-energie (CSP) om economisch zinvol te zijn, opslag is cruciaal. Omdat de zon niet altijd schijnt, zonne-energie moet op de een of andere manier worden opgeslagen voor later gebruik. Maar CSP-fabrieken worden momenteel beperkt door hun op staal gebaseerde infrastructuur.

"Het verbeteren van energieopslag is een kritieke kwestie die een van de grootste technologische hindernissen vormt voor het minimaliseren van de uitstoot van broeikasgassen, " legt Asegun Henry uit, de Noyce Career Development Professor en universitair hoofddocent werktuigbouwkunde.

Een expert in warmteoverdracht, Henry heeft zich tot een onwaarschijnlijke klasse van materialen gewend om de efficiëntie van thermische opslag te helpen verhogen:keramiek.

Momenteel, CSP-planten worden beperkt door de temperatuur waarbij ze warmte kunnen opslaan. Thermische energie uit de zonne-energie wordt momenteel opgeslagen in vloeibaar zout. Dit vloeibare zout kan een temperatuur van 565 C niet overschrijden, omdat de stalen buizen waar ze doorheen stromen zullen corroderen.

"Er is een alomtegenwoordige veronderstelling geweest dat als je iets gaat bouwen met stromende vloeistof, de leidingen en pompen moeten van metaal zijn, "zegt Henry. "We hebben die veronderstelling in wezen in twijfel getrokken."

Hendrik en zijn team, die onlangs is verhuisd van Georgia Tech, hebben een keramische pomp ontwikkeld die vloeistof bij veel hogere temperaturen laat stromen. In januari 2017, hij werd opgenomen in het Guinness Book of World Record voor de 'vloeistofpomp met de hoogste bedrijfstemperatuur'. De pomp kon gesmolten tin circuleren tussen 1, 200 C en 1, 400 C.

"De pomp geeft ons nu de mogelijkheid om een ​​volledig keramische infrastructuur te maken voor CSP-fabrieken, waardoor we vloeibaar metaal kunnen laten stromen en beheersen, ’ voegt Henri eraan toe.

In plaats van vloeibaar zout te gebruiken, CSP-fabrieken kunnen nu energie opslaan in metalen, zoals gesmolten tin, die een hoger temperatuurbereik hebben en het zorgvuldig gekozen keramiek niet aantasten. Dit opent nieuwe wegen voor energieopslag en -opwekking. "We proberen de temperatuur zo hoog te krijgen dat ons vermogen om warmte terug in elektriciteit om te zetten ons opties geeft, ’ legt Hendrik uit.

Een dergelijke optie, zou zijn om elektriciteit op te slaan als gloeiende witte hete warmte zoals die van een gloeilamp. Deze warmte kan vervolgens worden omgezet in elektriciteit door de witte gloed om te zetten met behulp van fotovoltaïsche cellen, waardoor een volledig broeikasgasvrij energieopslagsysteem ontstaat.

"Dit systeem kan niet werken als de leidingen temperatuurbeperkt zijn en een korte levensduur hebben, "voegt Henry eraan toe. "Dat is waar we binnenkomen, we hebben nu de materialen die dingen kunnen laten werken bij waanzinnig hoge temperaturen."

Het vermogen van Henry's recordbrekende pomp om de uitstoot van broeikasgassen tot een minimum te beperken, gaat verder dan het veranderen van de infrastructuur van zonnecentrales. Ook hoopt hij de pomp te gebruiken om de manier waarop waterstof wordt geproduceerd te veranderen.

Waterstof, die wordt gebruikt om kunstmest te maken, ontstaat door methaan te laten reageren met water, kooldioxide produceren. Henry doet onderzoek naar een geheel nieuwe waterstofproductiemethode waarbij tin heet genoeg wordt verwarmd om methaan direct te splitsen en waterstof te creëren. zonder andere chemicaliën te introduceren of koolstofdioxide te maken. In plaats van koolstofdioxide uit te stoten, vaste koolstofdeeltjes zouden zich vormen en op het oppervlak van de vloeistof drijven. Deze vaste koolstof is iets dat dan voor een aantal of doeleinden kan worden verkocht.

Verontreinigende stoffen omzetten in waardevolle materialen

Het opvangen van broeikasgassen en er iets nuttigs van maken is een doel dat wordt gedeeld door Betar Gallant, universitair docent werktuigbouwkunde.

De Overeenkomst van Parijs, die streeft naar het minimaliseren van de uitstoot van broeikasgassen op wereldschaal, verklaarde dat deelnemende landen rekening moeten houden met elk broeikasgas, zelfs die in kleine hoeveelheden worden uitgestoten. Deze omvatten gefluoreerde gassen zoals zwavelhexafluoride en stikstoftrifluoride. Veel van deze gassen worden gebruikt bij de productie van halfgeleiders en bij metallurgische processen zoals de productie van magnesium.

Gefluoreerde gassen hebben tot 23, 000 keer het aardopwarmingsvermogen van koolstofdioxide en hebben een levensduur van duizenden jaren. "Zodra we deze gefluoreerde gassen uitstoten, ze zijn vrijwel onverwoestbaar, ' zegt Gallant.

Zonder huidige regelgeving voor deze gassen, hun vrijlating zou een blijvende impact kunnen hebben op ons vermogen om de opwarming van de aarde in te perken. Na de ratificatie van de Overeenkomst van Parijs, Gallant zag een kans om haar achtergrond in elektrochemie te gebruiken om deze schadelijke verontreinigende stoffen op te vangen en om te zetten.

"Ik kijk naar mechanismen en reacties om schadelijke verontreinigende stoffen te activeren en om te zetten in goedaardige opslagbare materialen of iets dat kan worden gerecycled en op een minder schadelijke manier kan worden gebruikt, " ze legt uit.

Haar eerste doelwit:gefluoreerde gassen. Met behulp van spanning en stromen samen met chemie, zij en haar team onderzochten toegang tot een nieuwe reactieruimte. Gallant creëerde twee systemen op basis van de reactie tussen deze gefluoreerde gassen en lithium. Het resultaat was een vaste kathode die in batterijen kan worden gebruikt.

"We identificeerden één reactie voor elk van die twee gefluoreerde gassen, maar we zullen daaraan blijven werken om erachter te komen hoe deze reacties kunnen worden aangepast om industriële afvangst en grote hoeveelheden materialen aan te kunnen. " zij voegt toe.

Gallant gebruikte onlangs een vergelijkbare aanpak voor het opvangen en omzetten van kooldioxide-emissies in koolstofkathoden.

"Onze centrale vraag was:kunnen we een manier vinden om meer waarde uit koolstofdioxide te halen door het op te nemen in een energieopslagapparaat?" ze zegt.

In een recente studie, Gallant behandelde eerst kooldioxide in een vloeibare amine-oplossing. Dit leidde tot een reactie die een nieuwe ionenbevattende vloeibare fase creëerde, die toevallig ook als elektrolyt kon worden gebruikt. De elektrolyt werd vervolgens gebruikt om een ​​batterij samen met lithiummetaal en koolstof te assembleren. Door de elektrolyt te ontladen, het kooldioxide kan worden omgezet in een vast carbonaat terwijl het een vermogen levert van ongeveer drie volt.

Omdat de batterij continu ontlaadt, het eet alle koolstofdioxide op en zet het constant om in een vast carbonaat dat kan worden opgeslagen, VERWIJDERD, of zelfs terug opgeladen naar de vloeibare elektrolyt voor gebruik als een oplaadbare batterij. Dit proces heeft het potentieel om de uitstoot van broeikasgassen te verminderen en economische waarde toe te voegen door een nieuw bruikbaar product te creëren.

The next step for Gallant is taking the understandings of these reactions and actually designing a system that can be used in industry to capture and convert greenhouse gases.

"Engineers in this field have the know-how to design more efficient devices that either capture or convert greenhouse gas emissions before they get released into the environment, " she adds. "We started by building the chemical and electrochemical technology first, but we're really looking forward to pivoting next to the larger scale and seeing how to engineer these reactions into a practical device."

Closing the carbon cycle

Designing systems that capture carbon dioxide and convert it back to something useful has been a driving force in Ahmed Ghoniem's research over the past 15 years. "I have spent my entire career on the environmental impact of energy and power production, " says Ghoniem, the Ronald C. Crane Professor of Mechanical Engineering.

In de jaren tachtig en negentig, the most pressing issue for researchers working in this sphere was creating technologies that minimized the emission of criteria pollutants like nitric oxides. These pollutants produced ozone, particular matter, and smog. Ghoniem worked on new combustion systems that significantly reduced the emission of these pollutants.

Since the turn of the 21st century, his focus shifted from criteria pollutants, which were successfully curbed, to carbon dioxide emissions. The quickest solution would be to stop using fossil fuels. But Ghoniem acknowledges with 80 percent of energy production worldwide coming from fossil fuels, that's not an option:"The big problem really is, how do we continue using fossil fuels without releasing so much carbon dioxide in the environment?"

In recente jaren, he has worked on methods for capturing carbon dioxide from power plants for underground storage, and more recently for recycling some of the captured carbon dioxide into useful products, like fuels and chemicals. The end goal is to develop systems that efficiently and economically remove carbon dioxide from fossil fuel combustion while producing power.

"My idea is to close the carbon cycle so you can convert carbon dioxide emitted during power production back into fuel and chemicals, " he explains. Solar and other carbon-free energy sources would power the reuse process, making it a closed loop system with no net emissions.

In the first step, Ghoniem's system separates oxygen from air, so fuel can burn in pure oxygen—a process known as oxy-combustion. When this is done, the plant emits pure carbon dioxide that can be captured for storage or reuse. Om dit te doen, Ghoniem says, "We've developed ceramic membranes, chemical looping reactors, and catalysts technology, that allow us to do this efficiently."

Using alternative sources of heat, such as solar energy, the reactor temperature is raised to just shy of 1, 000 C to drive the separation of oxygen. The membranes Ghoniem's group are developing allow pure oxygen to pass through. The source of this oxygen is air in oxy-combustion applications. When recycled carbon dioxide is used instead of air, the process reduces carbon dioxide to carbon monoxide that can be used as fuel or to create new hydrocarbon fuels or chemicals, like ethanol which is mixed gasoline to fuel cars. Ghoniem's team also found that if water is used instead of air, it is reduced to hydrogen, another clean fuel.

The next step for Ghoniem's team is scaling up the membrane reactors they've developed from something that is successful in the lab, to something that could be used in industry.

Manufacturing, human behavior, and the so-called "re-bound" effect

While Henry, Gallant, Ghoniem, and a number of other MIT researchers are developing capture and reuse technologies to minimize greenhouse gas emissions, Professor Timothy Gutowski is approaching climate change from a completely different angle:the economics of manufacturing.

Gutowski understands manufacturing. He has worked on both the industry and academic side of manufacturing, was the director of MIT's Laboratory for Manufacturing and Productivity for a decade, and currently leads the Environmentally Benign Manufacturing research group at MIT. His primary research focus is assessing the environmental impact of manufacturing.

"If you analyze the global manufacturing sector, you see that the making of materials is globally bigger than making products in terms of energy usage and total carbon emitted, " Gutowski says.

As economies grow, the need for material increases, further contributing to greenhouse gas emissions. To assess the carbon footprint of a product from material production through to disposal, engineers have turned to life-cycle assessments (LCA). These LCAs suggest ways to boost efficiency and decrease environmental impact. Maar, according to Gutowski, the approach many engineers take in assessing a product's life-cycle is flawed.

"Many LCAs ignore real human behavior and the economics associated with increased efficiency, " Gutowski says.

Bijvoorbeeld, LED light bulbs save a tremendous amount of energy and money compared to incandescent light bulbs. Rather than use these savings to conserve energy, many use these savings as a rationale to increase the number of light bulbs they use. Sports stadiums in particular capitalize on the cost savings offered by LED light bulbs to wrap entire fields in LED screens. In de economie, this phenomenon is known as the "rebound effect."

"When you improve efficiency, the engineer may imagine that the device will be used in the exact same way as before and resources will be conserved, " explains Gutowski. But this increase in efficiency often results in an increase in production.

Another example of the rebound effect can be found in airplanes. Using composite materials to build aircrafts instead of using heavier aluminum can make airplanes lighter, thereby saving fuel. Rather than utilize this potential savings in fuel economy to minimize the impact on the environment, echter, companies have many other options. They can use this potential weight savings to add other features to the airplane. These could include, increasing the number of seats, adding entertainment equipment, or carrying more fuel to increase the length of the journey. Uiteindelijk, there are cases were the composites airplane actually weighs more than the original aluminum airplane.

"Companies often don't think 'I'm going to save fuel'; they think about ways they can economically take advantage of increased efficiency, " Gutowski.

Gutowski is working across disciplines and fields to develop a better understanding of how engineers can improve life cycle assessment by taking economics and human behavior into account.

"The goal is to implement policies so engineers can continue to make improvements in efficiency, but these improvements actually result in a benefit to society and reduce greenhouse gas emissions, " hij legt uit.

Een wereldwijd probleem

The diversity of approaches to tackling climate change is reflective of the size of the problem. No one technology is going to act as a panacea for minimizing greenhouse gas emissions and staying below the crucial 1.5 C global temperature increase threshold outlined by the U.N.

"Remember, global warming is a global problem, " says Ghoniem. "No one country can solve it by itself, we must do it together."

In september 2019, the U.N. Climate Summit will convene and challenge nations across the world to throw their political and economic weight behind solving climate change. On a smaller scale, MIT is doing its part to minimize its environmental impact.

Vorige lente, Gutowski and Julie Newman, director of sustainability at MIT, co-taught a new class entitled 2.S999 (Solving for Carbon Neutrality at MIT). Teams of students proposed realistic scenarios for how MIT can achieve carbon neutrality. "The students were doing real work on finding ways MIT can keep our carbon down, " recalls Gutowski.

Whether it's a team of students in class 2.S999 or the upcoming U.N. Climate Summit, finding ways to minimize greenhouse gas emissions and curtail climate change is a global responsibility.

"Unless we all agree to work on it, invest resources to develop and scale solutions, and collectively implement these solutions, we will have to live with the negative consequences, " Ghoniem says.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.