Usuwanie gazów cieplarnianych innych niż CO2 dzięki fotokatalizie
Tempo zmiany klimatu można spowolnić poprzez zmniejszenie poziomu metanu (CH4), dwutlenku węgla (CO2) i innych gazów cieplarnianych w atmosferze. Do tej pory niewiele uwagi poświęcano jednak usuwaniu z atmosfery gazów cieplarnianych innych niż CO2. Potencjał tworzenia efektu cieplarnianego jest wskaźnikiem oddziaływania gazów cieplarnianych. Trzy najważniejsze gazy cieplarniane inne niż dwutlenek węgla, czyli metan, podtlenek azotu (N2O) i dichloro-difluorometan(odnośnik otworzy się w nowym oknie) (CCl2F2) charakteryzuje wysoki potencjał tworzenia efektu cieplarnianego. Tego rodzaju gazy mogą być eliminowane z atmosfery przy pomocy fotokatalizy(odnośnik otworzy się w nowym oknie), a następnie przetwarzane w nieszkodliwe gazy atmosferyczne, parę wodną i niewielkie ilości lotnych związków, które wpływają na globalne ocieplenie w znacznie mniejszym stopniu niż ich prekursory. Procesy fotokatalityczne, których wysoka skuteczność została dowiedziona w laboratorium, pozwalają naukowcom wykorzystać światło słoneczne w celu rozkładu metanu, podtlenku azotu i CCl2F2.
Zasilane słońcem
Dzięki wsparciu ze środków działania „Maria Skłodowska-Curie”(odnośnik otworzy się w nowym oknie), zespół projektu projekt STEPforGGR(odnośnik otworzy się w nowym oknie) sprawdził, czy to innowacyjne podejście do sekwestracji gazów cieplarnianych sprawdzi się w rzeczywistych warunkach. Naukowcy wykorzystali konwekcyjne wieże solarne(odnośnik otworzy się w nowym oknie) w roli gigantycznych agregatów, wykorzystując fotokatalizę w celu eliminowania gazów cieplarnianych innych niż CO2, w szczególności metanu, bezpośrednio z powietrza. Tego rodzaju wieże wykorzystują ciepło słoneczne do ogrzewania powietrza pod dużym kolektorem, podobnie jak ma to miejsce w szklarniach. Ciepłe powietrze unosi się przez wysoki komin, dzięki czemu powstaje ciągły, pasywny przepływ powietrza bez potrzeby korzystania z energii ze źródeł kopalnych. Przepływ ten jest kluczowym czynnikiem umożliwiającym kontrolowany kontakt ogromnych ilości powietrza z powierzchniami katalizatorów. „Powietrze przepływa przez ogrzewany słońcem układ, a usuwany przez nas gaz - na przykład metan - napotyka na swojej drodze specjalną powlekaną powierzchnię. Pod wpływem światła, powłoka ta wywołuje reakcje chemiczne, dzięki którym gaz cieplarniany jest przetwarzany w związki charakteryzujące się mniejszym wpływem na klimat. W przypadku metanu są to głównie dwutlenek węgla i woda”, wyjaśnia Wei Li, koordynator projektu z ramienia Uniwersytetu w Edynburgu(odnośnik otworzy się w nowym oknie). „Metan jest w krótszym ujęciu czasowym znacznie bardziej problematyczny niż dwutlenek węgla. Przetwarzanie nawet niewielkich ilości metanu może przynieść istotne korzyści dla klimatu, zwłaszcza jeśli odbywa się na bardzo dużą skalę”, zauważa Wei Li.
Od laboratorium do realizacji na dużą skalę
Zwiększenie skali wymaga połączenia bardzo dużych systemów pasywnego przepływu powietrza, takich jak właśnie wieże konwekcyjne, a także materiałów powlekanych katalizatorami, które pozostaną aktywne na zewnątrz przez długi czas. Tego rodzaju rozwiązania mogą znaleźć zastosowanie w nasłonecznionych regionach, gdzie dostępne są duże przestrzenie, przepływy powietrza są korzystne, a w obszarze występuje także inna infrastruktura. Jak uważa Wei Li: „Usuwanie metanu z atmosfery za pomocą fotokatalizy to nie tylko wyzwanie z punktu widzenia materiałów czy budowy reaktora. Mówimy o połączonym układzie, w którym przepływ powietrza, światło, chemia powierzchniowa i odporność na warunki zewnętrzne mają na siebie wzajemny wpływ. Zespół projektu STEPforGGR udowodnił możliwość systematycznej analizy tych oddziaływań oraz zbadał, co ogranicza sprawność całego procesu”. Dalsze prace mają koncentrować się na poprawie reaktywności katalizatora i jego trwałości, a także na projektach inżynieryjnych, które maksymalizują kontakt przy jednoczesnym ograniczeniu strat ciśnienia. Celem jest przełożenie wyników badań laboratoryjnych na wykonalne i opłacalne rozwiązania, a także scenariusze użytkowania gruntów. „Zakładamy także badanie innych rozwiązań i koncepcji, na przykład układów zintegrowanych z budynkami czy alternatywnych konstrukcji. Analizujemy także możliwość rozszerzenia badań z metanu na pozostałe gazy inne niż CO2, o ile okaże się to wykonalne”, dodaje Wei Li. Zrealizowane prace przełożą się na korzyści dla badaczy i inżynierów opracowujących technologie sekwestracji gazów cieplarnianych, przedstawicielom sektorów uczestniczących w produkcji reaktorów i materiałów, w tym producentów szkła powlekanego, a także decydentom poszukującym skutecznych metod łagodzenia skutków zmiany klimatu.