Ауаның ластануын қалайша пайдалы етуге болады?

Адамзат экологиялық мәселелердің ауқымын жақсы түсінеді және оның зардабын жеңілдету үшін барынша күш салып жатыр – бірақ ауаныңкөмірқышқыл газымен ластану ауқымын төмендету қиын болып барады. Алайда бұл бағытты түрлендіруге мүмкіндік бар: америкалық ғалымдар отын жағудан бөлінетін көмірқышқыл газын атмосферадан шығарып, отынды қайта жасауға көмектесетін технологиялық жобасын ұсынды. Бұл жүйе қалай жұмыс істейтінін Science журналы жазған екен.

Бұл өнертабыстың авторы — Джордж Вашингтон Униерситетінің (АҚШ) химигі Стюарт Лихт (Stuart Licht), ол жайлы мақала Advanced Science журналында жарияланды. Осыған ұқсас технологиялар бұған дейін де ұсынылғанымен, Лихт ұсынған тәсіл алдыңғыларынан қарағанда тиімді. Энергия күн мен суды пайдалана отырып өндіріледі, яғни жаңарып отыратын қайнар көздерден, ал сол мезетте ауаның реакцияға түскен CO₂-ден тазаруы жүріп жатады. Яғни, көмірқышқыл газымен су байланысқа түседі, нәтижесінде сутегі молекулалары (H₂) мен көміртек тотығы (СО) пайда болады.

Сұйық отынсыз болмайды

Ластануды осылайша қайта өңдеу, сұйық отыннан толықтай бас тарту идеясына қарағанда, әлдеқайда тиімді екені рас. Мамандар мұнай мен басқа да сұйық отыннан жақын болашақта бас тарта алмайтынымызды айтады. Энергияны жаңарып отыратын қайнар көздерден алу технологиясы дамып жатқанымен, және әлемнің кейбір аймақтарында мұндай энергия дәстүрлі отынға қарағанда арзан болғанымен, сұйық отынның артықшылығы әлдеқайда жоғары.

Ең алдымен, оны тасымалдау ыңғайлы, оны пайдалану қатынас жолын қажет етпейді. Жанармай генераторын жер шарының кез келген аяқ баспаған жеріне апарып, сол орында цивилизацияның ең негізгі игілігін ұйымдастырып жіберуге болады. Сұйық отын ең алдымен арзан және ыңғайлы, әлі ұзақ жылдар бойы осылай бола бермек екені анық. Бұл сонымен қатар, авиация жанармайына да қатысты. Solar Impulse күн батареяларын пайдаланатын ұшақтың оқиғасы, бұл технологияның заманауи ұшақтармен бәсеке бола алатынына әлі алыс екенін көрсетеді.

Осылайша, жаңарып отыратын қайнар көздерден алынатын энергияны сұйық отынға айналдыру (сонымен бірге атмосферадағы көмірқышқыл газынан айрылу) өзекті мәселе болып тұр. Бұл шамамен, өсімдіктердің күн сәулесін өздеріне қажетті нәрлі затқа айналдыруына ұқсас процесс. Бұл мәселемен айналысып жүрген маман, Пенсильванияның Питтсбург Университетінің химигі Джон Кейттің (John Keith) айтуынша, ғылымның қазіргі деңгейінде бұл мақсат адамның Айға ұшу мақсатымен пара-пар – іске асыруға болады, бірақ көп жұмыс жасау керек.

Бұл қалай жұмыс істейді?

Технологияның басты мәселесі - CO₂молекуласы едәуір тұрақты. Химиктер оны жоғары температураның, электрдың, немесе Лихт пен оның әріптестері жасағандай екеуінің де көмегімен басқа молекулалармен реакцияға түсіре алады.

Алғашқы қадам әдетте, оттегі атомдарының бірін CO₂молекуласынан жұлып алып, СО молекуласын – көміртек тотығын жасау болып табылады. Оны өз кезегінде сутегімен (H₂) біріктіріп, синтетикалық газ алуға болады. Ал оны метанолға айналдырып, тікелей отын ретінде немесе мақсатына қарай басқа да элементтермен байланыстыруға болады. Химиялық зауыттарда отын алу дәл осылай жүреді, бірақ синтетикалық газды олар ауадан емес, арзан әрі кең таралған табиғи газдан алады.

Лихт пен оның әріптестері ұсынған қондырғыда түсетін сәуленің 38%-ын электр энергиясына айналдыратын аса тиімді күн панельдері пайдаланылады. Содан соң электр химиялық реакцияның катализаторы болу үшін екі ұяшыққа өткізіледі: біреуінде су молекуласының ыдырауы болып жатса, екіншісінде – көмірқышқыл газының молекулалары ыдырайды. Бұдан өзге, күннің қалған энергиясы жылуға айналып, ұяшықтарды бірнеше жүз градусқа ысытады, осының арқасында молекулаларды ыдыратуға электр шамамен ширек есеге аз жұмсалады. Нәтижесінде күн энергиясының шамамен 50%-ы химиялық отынға айнала алады.

Технологияның болашағы

Лихт ұсынған жобаға ұқсас технологияларды әлемнің басқа да ғалымдары жасап шығарып жатыр. Мысалы, Исландияда Carbon Recycling International компаниясы 2012 жылы синтетикалық газ жаңарып отыратын қайнар көздердің арқасында өндірілетін зауыт ашты. Электрді өндіру үшін геотермалдық қайнар көздер пайдаланылады, ал кейінгі процесс бұрынғыдай – су мен көмірқышқыл газынан негізгі өнім жасалады. Белгілі себептермен исландиялық технологияны әлем бойынша жаппай пайдалана алмаймыз.

Сонымен қатар, көмірқышқыл газын көміртек тотығына айналдыру реакциясын жасау үшін алтынды пайдалануға болады. Өткен ғасырдың 80-жылдарында-ақ жапон ғалымдары реакцияның жақсы жүретінін анықтаған, - оған қоса төмен температура да жеткілікті, - әрине, егер электродтар алтыннан жасалған болса. Ал 2012 жылы Стэнфорд университетінен (АҚШ) Мэттью Кэнан (Matthew Kanan) бұл әдісті жетілдірді. Ол нанокөлемді кристаллиттерге бөлінген, алтынның жұқа қабатының электродтарын пайдалануды ұсынды. Осылайша электр шығыны жартылай қысқарды, ал катализаторлардың белсенділігі он есеге артты. Алайда алтынның бағасы технологияны өнеркәсіптік ауқымда пайдалануға мүмкіндік бермейді.

Қазіргі кезде алтынның орнына күмістің және тіпті мырыштың нанобөлшектері пайдаланылатын тәжірибелер жүргізіліп жатыр, бұл тәсілді Далавер университетінің (АҚШ) химиктері ұсынды. Ғалымдар бұл тәсіл де, алтынды пайдаланғандай тиімді екенін дәлелдеуге шақ қалды, ал бұл технологияны пайдалану әлдеқайда арзан екені анық.

Тағы бір оңтайлы нұсқаны Калифорниядағы Беркли Университетінің (АҚШ) ғалымдары тәжірибе жүзінде жүргізіп жатыр: 2015 жылдың тамызында олар кобальт пен негізінде мырыш атомы бар органикалық байланыстан жасалған ірі ұсақ тесікті кристалл материалын пайдаланғанғандарын айтты. Технология CO₂ молекуласын сағатына 240 мың данаға дейін жылдамдықпен ыдырата алады. Бұл бөлме температурасын пайдаланатын өзге тәсілдерге қарағанда әлдеқайда тез. Бұдан өзге, синтетикалық газ жасау кезеңін аттап өтіп, сұйық отынға негіз болатын түрлі қосылыстарды іске асыруға мүмкіндік пайда болды.

Ең бастысы, отынды жаңарып отыратын қайнар көзден өндіруді қажет етпейтін технологияларды жасау жалғасып келеді. Негізінде қайта өңдеу процесі кезінде технология энергияның өзге қайнар көзін пайдаланбауы керек, және бұл қазіргі таңда бұрынғыдай қол жетпейтін мақсат емес.