Wanneer astronauten aan boord van het International Space Station (ISS) koolstofdioxide (CO2) uitademen, het wordt uit de lucht gehaald en de ruimte in gepompt. Kan een op aarde gebaseerde versie helpen om de uitstoot van broeikasgassen uit onze atmosfeer te verwijderen?

Om de opwarming van de aarde te beperken tot 1,5 C boven het pre-industriële niveau en enkele van de ergste gevolgen van klimaatverandering te voorkomen, het betekent het elimineren van alle 42 miljard ton jaarlijkse CO2-uitstoot tegen 2050.

Een manier om dit te doen is om de uitstoot te verminderen. Een andere is het ontwerpen van materialen die de CO2 die al in de atmosfeer is of voordat deze wordt uitgestoten, kunnen verwijderen. Het probleem is dat nog niemand heeft uitgevogeld hoe dit het beste kan.

Het luchtfiltersysteem in de ruimte inspireerde Professor Stefano Brandani en Dr. Giulio Santori van de Universiteit van Edinburgh, VK, om een ​​manier te ontwikkelen om CO2 rechtstreeks uit de atmosfeer af te vangen en te concentreren. Deze ambitieuze strategie – het bouwen van een zogenaamde kunstmatige boom – zou ervoor zorgen dat CO2 wordt afgevangen om te worden opgeslagen in grote ondergrondse reservoirs.

Zeoliet

De CO2 die astronauten aan boord van het ISS inademen, wordt opgevangen door een sponsachtig mineraal, een zeoliet genaamd, te gebruiken. die kleine poriën heeft om een ​​CO2-molecuul op te sluiten. Op het ruimtestation, de zeolieten ledigen hun CO2 wanneer ze worden blootgesteld aan het vacuüm van de ruimte.

Als onderdeel van een project genaamd ACCA, Dr. Santori hackt het systeem zodat het op aarde werkt. Dit is uitdagender. "Er is zoveel meer CO2 om af te vangen en de concentraties zijn om te beginnen meer verdund op aarde, dus het is veel meer energie-intensief, " legde hij uit. "De beginconcentratie van CO2 op het ISS is een orde van grootte hoger."

Het nieuwe systeem werkt met een reeks zeolietadsorptiebedden. Elk neemt CO2 op, concentreert het een beetje en laat het vrij wanneer het wordt verwarmd. "Het is als een spons. Je regenereert het materiaal met warmte. Als het koud is, het kost veel (CO2), " zei dr. Santori.

Deze CO2 gaat dan naar een nieuw adsorptiebed, die de gasmoleculen weer dichterbij duwt. Het gas wordt daarbij bij elke stap meer gecomprimeerd, zonder dat er bewegende delen zoals vacuümpompen nodig zijn. Temperatuurveranderingen zijn de motor van dit proces. Door het sponsachtige materiaal te verwarmen en af ​​te koelen, komt het gas vrij, en meer opnemen.

Met vijf bedden van zeolieten, leeggemaakt met warmte - wat restwarmte van een industriële faciliteit kan zijn - en gekoeld tot omgevingstemperatuur, CO2 kan worden afgevangen met een zuiverheid van meer dan 95%, met weinig energieverbruik.

"Als je CO2 uit de lucht zou kunnen halen, hierdoor kun je het comprimeren en opslaan in een nabijgelegen geologische faciliteit, " zei dr. Santori, die gelooft dat grootschalige afvang en opslag van koolstof de ideale strategie is om CO2 in de atmosfeer te verminderen.

Op de lange termijn, zeolieten zouden kunnen worden gebruikt in stations die CO2 rechtstreeks uit de lucht kunnen opvangen, maar dit is nog ver weg omdat het comprimeren van CO2 slechts een deel van het probleem is. Omdat CO2 zeer verdund is in de omgevingslucht, technologie zoals gigantische fans zou nodig zijn om het naar de stations te zuigen zonder al te veel energie of geld uit te geven - iets dat nog steeds een te hoge hindernis is voor de huidige technologieën. Prof. Brandani zei:"Het gaat erom hoeveel het kost en wie dan de eigenaar is van de CO2."

Een optie op de kortere termijn is om ons te concentreren op het strippen van CO2 uit de afvalgassen die door de industrie worden geproduceerd voordat het in de atmosfeer terechtkomt.

CO2 spuwt uit fossiele energiecentrales, maar ook industrieën als staal en cement stoten veel CO2 uit. De chemische reacties die nodig zijn om kalksteen in cement te veranderen, bijvoorbeeld, CO2-gas vrijmaken en cementproductie alleen al zorgt voor 7% van alle wereldwijde koolstofemissies.

Membranen

Het idee is om membranen te installeren die CO2 vasthouden die vervolgens kan worden geconcentreerd en gecomprimeerd voor opslag. "Membranen zijn efficiënt en kunnen energie besparen in vergelijking met andere systemen, " zei professor Marco Giacinti Baschetti van de Universiteit van Bologna, Italië.

In traditionele strategieën die worden gebruikt door industrieën zoals kolencentrales, CO2 wordt opgevangen in speciale vloeistoffen of vaste sponsachtige structuren, maar deze moeten dan opgewarmd worden om de CO2 vrij te maken. Bij membranen is dit niet nodig. Alle bestaande technologieën, echter, zijn kostbaar. De huidige membraanmaterialen zijn niet duurzaam genoeg en scheiden CO2 niet goed genoeg af om economisch verantwoord te zijn.

Prof. Baschetti runt een project genaamd NANOMEMC ² die een aantal verschillende membranen voor CO2-afvang ontwikkelt. In november, het team gaat een nieuw membraan testen in een Colacem-cementfabriek in Italië.

Ontwikkeld door projectwetenschappers van de Noorse Universiteit voor Wetenschap en Technologie, het membraan is gemaakt van holle vezels, ongeveer een millimeter dik, en bedekt met een extreem dunne laag nanocellulose en polymeer gemengd met kunstmatige aminozuren. De nanocellulose, die is gemaakt van minuscule vezels van hout, laat CO2 doordringen, terwijl andere gassen worden geblokkeerd. Het aminozuur grijpt zich vast aan CO2 en trekt het over het membraan.

"Cementfabrieken genereren CO2 bij verbranding en bij het maken van cement, dus hun rookgas is hoog in CO2, " zei prof. Baschetti. "We zullen dit gas door ons membraan voeren om CO2 te scheiden maar natuurlijk als je dit in de industrie doet, wat stof en onzuiverheden zullen aanwezig zijn. We willen kijken of ons membraan nog goed kan werken met dit echte rookgas." Het membraan wordt ook getest aan de Universiteit van Sheffield, VK.

Dit project heeft niet al zijn gokfiches op één membraan geplaatst. "We zijn begonnen in het lab en hebben meer dan 60 soorten membranen gescreend, " zei dr. Maria-Chiara Ferrari, een wetenschapper aan het project aan de Universiteit van Edinburgh, VK. Er zijn ongeveer vier membraankandidaten die de weg wijzen die gebaseerd zijn op gefaciliteerd transport - dit is wanneer een dragermolecuul helpt om CO2 vast te haken en het over het membraan te vervoeren.

Hoewel het veelbelovend klinkt, de technologie bevindt zich nog in een zeer vroeg – en klein – stadium. De membranen die tot nu toe in het lab zijn gemaakt, passen in de palm van een hand, terwijl de testmembranen ongeveer de grootte van een A4-pagina zullen hebben. "Een volledige echte fabriek heeft honderdduizenden vierkante meters nodig en de volledige scheidingseenheid zal ongeveer drie zeecontainers in beslag nemen, " legde Dr. Ferrari uit.