Το διοξείδιο του άνθρακα είναι το κακοποιό στοιχείο της εποχής μας. Εκπέμπεται σε ποσότητες από τις εξατμίσεις των οχημάτων και τους σταθμούς παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας και αποτελεί τον κύριο «ένοχο» για το φαινόμενο του θερμοκηπίου και την υπερθέρμανση του πλανήτη. Για τον λόγο αυτόν αναγνωρίζεται διεθνώς ως κάτι «κακό». Μερικοί πρωτοπόροι ερευνητές ωστόσο θεωρούν ότι πρέπει να το δούμε διαφορετικά- σαν μια πολύτιμη πλουτοπαραγωγική πηγή. Αναπτύσσουν μια σειρά από τεχνολογίες οι οποίες έχουν στόχο την ανάκτηση ενός μέρους του CΟ 2 από την ατμόσφαιρα- το οποίο αν έμενε ελεύθερο θα προκαλούσε μεγαλύτερη ρύπανση- και τη χρήση του άνθρακα που περιέχεται στο μόριό του για την παραγωγή υδρογονανθράκων. Αυτοί με τη σειρά τους μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως καύσιμα ή ως πρώτη ύλη για την παρασκευή πλαστικών και άλλων υλικών τα οποία σήμερα έχουν ως βάση το πετρέλαιο. Μήπως τελικά τα όλο και πιο πυκνά νέφη του διοξειδίου του άνθρακα στην ατμόσφαιρα του πλανήτη μας έχουν μια ρόδινη χροιά;
Ακριβό μου μονοξείδιο
Η ιδέα είναι απλή. Αν βρείτε έναν τρόπο να αφαιρέσετε ένα άτομο οξυγόνου από ένα μόριο CΟ 2 θα μείνετε με ένα άτομο μονοξειδίου του άνθρακα (CΟ). Από εκεί, ένα μόλις μικρό βήμα σας χωρίζει από τα πλούτη των υδρογονανθράκων. Αναμειγνύετε το CΟ με υδρογόνο, περνάτε το μείγμα από έναν καταλύτη και έχετε αμέσως υγρό καύσιμο υδρογονανθράκων. Η αντίδραση αυτή, η οποία είναι γνωστή ως μέθοδος Φίσερ- Τροπς, έχει ανακαλυφθεί από τη δεκαετία του 1920. Είχε χρησιμοποιηθεί από τη Γερμανία στον Β΄ Παγκόσμιο Πόλεμο, όταν οι προμήθειες πετρελαίου δεν επαρκούσαν, για την παραγωγή καυσίμων από αεριοποιημένο γαιάνθρακα, όπως και από τη Νότιο Αφρική κατά την περίοδο του απαρτχάιντ, όταν οι διεθνείς κυρώσεις εμπόδιζαν την εισαγωγή πετρελαίου στη χώρα.
Η δυσκολία έγκειται στο πρώτο βήμα: στο να βρει δηλαδή κανείς έναν οικονομικά και ενεργειακά συμφέροντα τρόπο δημιουργίας μονοξειδίου του άνθρακα από το διοξείδιο του άνθρακα. Η απλούστερη οδός είναι η θέρμανση των μορίων του CΟ 2 περίπου στους 2.400 βαθμούς Κελσίου, σημείο στο οποίο διασπώνται αυτογενώς σε μονοξείδιο του άνθρακα και οξυγόνο. Το πρόβλημα είναι ότι η διαδικασία αυτή απαιτεί ενέργεια, οπότε πρέπει να βρεθεί μια κατάλληλη πηγή της.
Το ηλιακό φως
Πρώτος υποψήφιος είναι το ηλιακό φως. Η Los Αlamos Renewable Εnergy (LΑRΕ), μια εταιρεία με έδρα το Ποχόκι στο Νέο Μεξικό των Ηνωμένων Πολιτειών, έχει κατασκευάσει μικρής κλίμακας πρωτότυπο αντιδραστήρα ο οποίος επιτελεί ακριβώς αυτή τη λειτουργία, εκμεταλλευόμενος την ηλιακή ενέργεια. Το μονοξείδιο του άνθρακα διοχετεύεται σε έναν θάλαμο αντίδρασης ο οποίος στο ένα άκρο του είναι σφραγισμένος με ένα «παράθυρο» από χαλαζία διαμέτρου οκτώ εκατοστών. Ο θάλαμος είναι προσαρμοσμένος στο σημείο εστίασης ενός παραβολικού κατόπτρου το οποίο συγκεντρώνει το ηλιακό φως και το διοχετεύει μέσω του παραθύρου μέσα στον θάλαμο θερμαίνοντας μια κεραμική ράβδο η οποία βρίσκεται στο εσωτερικό του. Καθώς το αέριο του διοξειδίου του άνθρακα έρχεται σε επαφή με τη ράβδο η θερμοκρασία του αυξάνεται περίπου στους 2.400 βαθμούς Κελσίου, προκαλώντας τη διάσπαση των μορίων του και την απελευθέρωση μονοξειδίου του άνθρακα και οξυγόνου. Ο Ριντ Τζένσεν, διευθύνων σύμβουλος της LΑRΕ, δηλώνει ότι ένας μεγαλύτερος σε μέγεθος πρωτότυπος αντιδραστήρας θα είναι έτοιμος για δοκιμές μέσα σε έναν χρόνο, δεν διευκρινίζει όμως ποιο ακριβώς θα είναι το μέγεθός του ούτε πόσο μονοξείδιο του άνθρακα θα παράγει.
Ενα από τα μειονεκτήματα αυτής της προσέγγισης είναι η υψηλή θερμοκρασία που απαιτεί η διαδικασία, όπως τονίζει ο Νέιθαν Σίγκελ των αμερικανικών Εθνικών Εργαστηρίων Sandia στο Αλμπουκέρκι στο Νέο Μεξικό, όπου μια άλλη ομάδα ερευνητών επεξεργάζεται ένα ανταγωνιστικό σχέδιο. Οι υψηλές θερμοκρασίες προκαλούν μεγάλες θερμικές απώλειες, οι οποίες με τη σειρά τους επιβαρύνουν ή και μειώνουν την αποδοτικότητα. Παρ΄ ότι η ηλιακή ενέργεια είναι δωρεάν, η κατασκευή του εξοπλισμού που απαιτείται για την παραγωγή και τη διατήρηση τέτοιων θερμοκρασιών είναι δαπανηρή, με αποτέλεσμα η λειτουργική αποδοτικότητα να μετατρέπεται σε καθοριστικό παράγοντα για την οικονομική αποδοτικότητα του σχεδίου.
Εναλλακτική λύση
Λαμβάνοντας υπόψη τα παραπάνω, η ομάδα της Sandia αναπτύσσει ένα ανταγωνιστικό σύστημα, γνωστό ως CRS, το οποίο λειτουργεί σε μικρότερες θερμοκρασίες. Οπως ο αντιδραστήρας της LΑRΕ, χρησιμοποιεί και αυτό έναν συγκεντρωτικό παραβολικό συλλέκτη ο οποίος εστιάζει τις ακτίνες του ήλιου. Εδώ οι υψηλές θερμοκρασίες επιτυγχάνονται στη μία πλευρά μιας σειράς από δεκατέσσερις δακτυλίους από κεραμικό κοβαλτίου και σιδηρίτη, ένα υλικό το οποίο όταν θερμαίνεται απελευθερώνει οξυγόνο από το μοριακό πλέγμα του χωρίς η ακεραιτότητα του πλέγματος να καταστρέφεται. Οι δακτύλιοι, οι οποίοι έχουν διάμετρο περίπου 30 εκατοστών, περιστρέφονται εκτελώντας σχεδόν μία περιστροφή το λεπτό μέσα σε έναν σφραγισμένο διπλό θάλαμο. Το ηλιακό φως εστιάζεται μέσω ενός «παραθύρου» στη θερμαινόμενη πλευρά του θαλάμου και θερμαίνει τους δακτυλίους στους 1.500 βαθμούς Κελσίου προκαλώντας την απελευθέρωση ατόμων οξυγόνου από το μοριακό πλέγμα του κεραμικού. Καθώς οι δακτύλιοι περιστρέφονται το θερμό τμήμα τους ψυχραίνεται σταδιακά κατεβαίνοντας στους 1.100 βαθμούς Κελσίου και, φθάνοντας στο πίσω μέρος του θαλάμου, βυθίζεται σε διοξείδιο του άνθρακα. Στη θερμοκρασία αυτή το αποξυγονωμένο κεραμικό αντιδρά με τα μόρια του διοξειδίου του άνθρακα για να ανακτήσει τα άτομα οξυγόνου που λείπουν από το πλέγμα του, δημιουργώντας μονοξείδιο του άνθρακα. Καθώς οι δακτύλιοι εξακολουθούν να περιστρέφονται, το αναοξυγονωμένο τμήμα τους έρχεται ξανά στη θερμαινόμενη πλευρά του θαλάμου και ο κύκλος αρχίζει και πάλι από την αρχή.
Η μέθοδος
Η σωστή θέρμανση και ψύχρανση των δακτυλίων είναι καθοριστικής σημασίας για την επιτυχία της διαδικασίας. Στη θερμαινόμενη πλευρά του θαλάμου οι δακτύλιοι πρέπει να φθάνουν την κατάλληλη θερμοκρασία για την απελευθέρωση οξυγόνου από το κεραμικό ενώ, παράλληλα, φθάνοντας στην ψυχρή πλευρά, πρέπει να έχουν ψυχρανθεί κατά αρκετές εκατοντάδες βαθμούς Κελσίου ώστε να αντιδράσουν με το διοξείδιο του άνθρακα. Για να επιτευχθεί αυτό, σειρά άλλων δακτυλίων περιστρέφεται με την αντίθετη φορά, οπότε καθώς οι θερμοί δακτύλιοι κινούνται προς την ψυχρή πλευρά του θαλάμου ψυχραίνονται παράλληλα και από τους γειτονικούς δακτυλίους που κινούνται προς την αντίθετη κατεύθυνση. Τόσο η θερμή όσο και η ψυχρή πλευρά του θαλάμου διατηρούνται στην ίδια πίεση ώστε η ροή αερίων μεταξύ τους να ελαχιστοποιείται. Το CRS αναπτύχθηκε αρχικά για την παραγωγή υδρογόνου, χρησιμοποιώντας ατμό στο ψυχρό τμήμα του θαλάμου αντί για διοξείδιο του άνθρακα. Ο εφευρέτης του όμως Ριτς Ντάιβερ θεωρεί ότι η διάσπαση του διοξειδίου του άνθρακα προσφέρει πολύ πιο αποδοτικό τρόπο εκμετάλλευσης της ηλιακής ενέργειας. Η καύση του μονοξειδίου του άνθρακα που παράγεται στον ηλιακό αντιδραστήρα εκτιμάται ότι μπορεί να αποδώσει το 10% της ενέργειας που απαιτείται για την παραγωγή του. Η κυψέλη
Η ιδέα της χρησιμοποίησης της ηλιακής ενέργειας για τη μετατροπή του διοξειδίου του άνθρακα σε καύσιμο με βάση τον άνθρακα προωθείται σε άλλο επίπεδο από τον Γκαμπριέλε Τσέντι στο Τμήμα Βιομηχανικής Χημείας και Μηχανικής των Υλικών του Πανεπιστημίου της Μεσσήνης στη Σικελία. Αντί να παράγει μονοξείδιο του άνθρακα με στόχο στη συνέχεια να το μετατρέψει σε κάτι περισσότερο χρήσιμο, ο ερευνητής αναπτύσσει μια ηλεκτροχημική κυψέλη που παράγει μόρια υδρογονανθράκων. Οπως το εννεάνιο και το αιθυλένιο, τα οποία αποτελούν σημαντικά χημικά συστατικά για την κατασκευή πλαστικών και άλλων υλικών που σήμερα παρασκευάζονται από παράγωγα του πετρελαίου.
Η κυψέλη του κ. Τσέντι αποτελεί μακρινό συγγενή των κυψελών καυσίμων που παράγουν ηλεκτρικό ρεύμα από την αντίδραση του υδρογόνου ή της μεθανόλης με το οξυγόνο, εδώ όμως η χημική αντίδραση λειτουργεί αντίστροφα. Στη μία πλευρά της κυψέλης βρίσκεται ένας καταλύτης διοξειδίου του τιτανίου ο οποίος ενθαρρύνει τη διάσπαση των μορίων του νερού, όταν έρχονται σε επαφή με τα φωτόνια του ηλιακού φωτός, ώστε να παράγουν ιόντα υδρογόνου και οξυγόνο σε αέρια μορφή. Τα ιόντα του υδρογόνου μετακινούνται μέσω μιας μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων στην άλλη πλευρά της κυψέλης όπου ένας καταλύτης, ο οποίος περιέχει νανοσωλήνες ψευδαργύρου, διευκολύνει την αντίδραση με το διοξείδιο του άνθρακα για την παραγωγή υδρογονανθράκων.
