إعادة تدوير الكربون: التنقيب عن الوقود في الهواء

 جامع للطاقة الشمسية خلف Rich Diver، باحث في U.S. Department of Energy’s Sandia National Laboratories. يهدف مشروع المعمل تحت اسم "من أشعة شمس إلى بترول" إلى إعادة تدوير ثاني أكسيد الكربون إلى وقود باستخدام الطاقة المتجددة.  إن القيام بإعادة تدوير الزجاجات، الصفائح والجرائد يندرج في أي قائمة قصيرة لممارساتٍ بسيطة لصالح بيئة أكثر نظافة. ليت من السهل تجميع وإعادة استخدام ثاني أكسيد الكربون – مخلف الدفيئة الزجاجية؟ ذاك الذي يولده العالم بكميات كبيرة كل يوم عن طريق حرق الوقود الحفري. في الواقع، تهدف حفنة من الشركات المبتدئة والباحثين إلى القيام بذلك تماماً. تتطلب إعادة تدوير ثاني أكسيد الكربون أكثر من نصب حاويات منفصلة للزجاج، الألومنيوم والورق. لكن يؤمن الكثير من العلماء أنها ليس جديرة ببذل المجهود فحسب، بل هي مسعى ضروري. يجادلون بأن تهديد التغير المناخي للكوكب أصبح الآن عظيماً لدرجة أنه على أي مجهود لمواجهة المشكلة تضمن التقنيات "عديمة الكربون". يعني ذلك سحب الغازات الدفيئة بالفعل من المناخ و القيام بشيء مثمر باستخدامه. حظت فكرة أسر ثاني أكسيد الكربون (CO[sub]2[/sub]) من محاطات توليد الكهرباء باستخدام الفحم أو المنشآت النفطية وتخزينه تحت الأرض بالكثير من الاهتمام. فالعديد من المشاريع التجريبية منطلقة أو تحت الإنشاء، بالرغم من التخلي عن مشروع رئيسي في West Virginia الشهر الماضي نتيجة التكاليف. كان هناك تركيز أقل على فكرة إعادة استخدام أو إعادة تدوير ثاني أكسيك الكربون الفعلية. لكن العلوم تعلم منذ زمن أنه من الممكن إعادة جمع الكربون من CO[sub]2[/sub] مع الهيدروجين من الماء لصنع الهيدروكربونات – بمعنى آخر، لصنع الوقود المألوف كالبنزين. كمنت المشكلة، مما يثير السخرية، في تطلب العملية لكثير من الطاقة. لكن يجادل الباحثون الرائدون و الرياديون أن التكنولوجيا على وشك الوصول إلى إعادة تدوير الـCO[sub]2[/sub] إلى وقود صالح للاستخدام في محركات اليوم. قد يتضمن الأمر حتى استخدام التكنولوجيا لامتصاص ثاني أكسيد الكربون من الهواء مباشرةً، عوضاً عن امتصاصه من غازات محطات الفحم. (انظر القصة المماثلة، "Out of Thin Air: The Quest to Capture Carbon Dioxide" يقال أنه بإمكاننا سحب المكونات لصنع الهيدروكربونات من الهواء بدلاً من التنقيب عن النفط لتحريك السيارات والشاحنات. يسأل براين إلتون، الرئيس التنفيذي لـCarbon Sciences، شركة مبتدئة في Santa Barbara, California، "لديكم كل هذه الكمية من الـCO[sub]2[/sub] – إنه مادة شنيعة – ما الذي ستفعلونه به؟". "يقول الناس، ‘اضغطوه، خبئوه’. وإننا نقول، ‘كلا، أعطونا إياه و سيمكننا إعادة تحويله إلى بنزين’." إن Peter Eisenberger، فيزيائي قد أسس منشأة الأرض (Earth Institute) في جامعة كولومبيا، هو مؤسس شريك لـGlobal Thermostat، و هي شركة تعمل على تقنية للحصول على ثاني أكسيد الكربون من الهواء بهدف إعادة التدوير لا التخزين، في عين الاعتبار. يقول Eisenberger، "في وجهة نظري، إن إتمام دورة الكربون و امتلاك التقنية لجمع الـCO[sub]2[/sub] مع الهيدروجين لمستقبل رائع،". "تخيلوا مستقبلاً تكون فيه الموارد الأساسية للوقود هي الماء و الـCO[sub]2[/sub]."  طاقة مزودة، طاقة محصلةبالتأكيد يحمل النفط المستخرج والمضخوخ من باطن الأرض طاقة بقدر أضعاف الطاقة الشمسية المحصلة من قبل المعامل والمخزنة في هيئة مواد عضوية. عبر ملايين السنين من الحرارة والضغط، تم تركيز الطاقة في تلك المواد العضوية إلى حد أبعد لإنتاج الهيدروكربونات كالنفط، الغاز الطبيعي والفحم. على أي أحد يريد صنع وقود هيدروكربوني فوق مستوى الأرض إمداد طاقة لعزل جزيئات الهيدروجين والكربون و جمعهم سوياً. يقول Hans Ziock، عضو بطاقم العمل الفني لمعمل Los Alamos الوطني لقسم الولايات المتحدة للطاقة، والمؤلف الشريك لوثيقة ترويجية عن استقطاب ثاني أكسيد الكربون من الهواء، "لا يوجد ما يدعى بالغداء المجاني". ويوضح أنه، "عليك تزويد الطاقة لإعادة صنع الوقود،". "ولأن إعادة التصنيع لا تكون فعالة بنسبة مئة في المئة أبداً، ينتهي بك المطاف مستهلكاً طاقة أكثر من التي تحصل عليها.". نتيجة "جزية الطاقة" لتصنيع الوقود الهيدروكربون بشكل غير مباشر، على حد قوله، فدائماً ما كان الأحرى بالمجتمع استخدام الوقود السائل المصنع بشكل مباشر من البترول الخام طالما كان متوفراً. يقول Ziock، "إن قامت الطبيعة بصنع هذا لأجلك مجاناً، لم لا تستخدمه؟". إلا أنه في عالم يضخ الآن بتروله الخام من مياه على عمق كبير، يعصره من رمال القطران ويبحث عنه تحت الحدود القطبية، أصبح الوقت مناسباً للبدائل. يقول Ziock أنه يؤمن بأن أمل الوصول إلى اكتفاء منزلي أعلى من الوقود وحده يجعل البحث في إعادة تدوير ثاني أكسيد الكربون مجدٍ. لكنه يحذر بأن منافع هذا التوجه كطريقة لتقليل نسبة ثاني أكسيد الكربون في المناخ ستكون محدودة إلا إذا ولدت الطاقة لصنع الوقود الهيدروكربوني من مصادر غير حرق المزيد من الوقود الحفري. لذلك كان تركيز مشروع "من أشعة شمس إلى بترول" في U.S. DOE’s Sandia National Laboratories في Albuquerque, New Mexico، و Livermore, California، مسلطاً على صنع محرك حرارة كيميائية عالي الفعالية مبني على الطاقة الشمسية المركزة لإدارة عمليته لصنع الوقود. تقول Ellen Stechel التي تدير مشروع Sandia، "لدى الهيدروكربونات الكثير من الطاقة الكامنة. أتت جميع الطاقات من الشمس، وعليها مجدداً المجيء من الشمس – لكن أسرع و بكفاءة أعلى فحسب". أما لصنع الوقود الهيدروكربوني فتقول أنه من الممكن استخدام الطاقة الشمسية، تماماً كما تفعل الطبيعة. و توضح، "لكننا في حاجة إلى تجميعه من منطقة واسعة لتعبئته في شيء عالي الكثافة. يقول الناس أن الشمس حرة و ذلك صحيح، لكن جامعي أشعة الشمس ليسوا كذلك." إن نموذج مفاعل الطاقة الشمسية الذي قام باحثوا Sandia بتطويره مصمم لاستخدام مجموعة كبيرة من المرايا لتجميع وتركيز أشعة الشمس في شعاع شديد القوة يتسرب من خلال حلقات أكاسيد المعادن داخل كل مفاعل. تلتف الحلقات داخل وخارج مجال أشعة الشمس، لترتفع درجة حرارتها إلى ما يزيد على 2,550°F (1,400°C)، ثم تنخفض إلى ما يقل عن 2,010°F (1,100°C).

تتعرض هذه الحلقات من ثم إلى ثاني أكسيد الكربون أو الماء. عند درجة الحرارة المرتفعة، تطلق حلقات أكاسيد الحديد بعض الأكسجين وعند درجات الحرارة الأقل تسلب الحلقات ذرات الأكسجين من جزيئات ثاني أكسيد الكربون أو الماء. التفاعل الكيميائي الحراري ذاك يخلف أول أكسيد الكربون أو غاز الهيدروجين (غالباً ما يدعى المزيج بـsyngas) – وهي وحدات بناء الوقود الهيدروكربوني. تقول Stechel إن مساحة جامع الطاقة الشمسية لنموذج Sandia تبلغ حوالي 20 متر مربع (215 قدم مربع) ليصبح المفاعل بحجم برميل البيرة. وتقول كذلك أنه يتطلب وجود حوالي 300,000 فدان (121,2400) هكتار من المرايا لجمع ما يكفي من أشعة الشمس لصنع ما يعادل مليون برميل من النفط يومياً. (يستهلك العالم حالياً حوالي 86 مليون برميل يومياً من البترول وأنواع الوقود السائل الأخرى، بما فيهم الوقود الحيوي.) تقول Stechel أن متانة المعدات تظل مشكلة وأن الباحثين يستمرون في العمل على جعل النظام فعال بقدر الإمكان ليتمكن من أن يكون ناجح تجارياً ومستخدم على مستوى كبير.  محفز للتغييرتركز شركة Elton، Carbon Sciences، على مرحلة ما بعد التجميع: تحويل الكربون إلى وقود. تحقق هذا بجمع ثاني أكسيد الكربون مع الغاز الطبيعي في وجود محفز معدني من امتلاكها قد قامت بتطويره وترخيصه. (تقول الشركة أنه مصنوع من المعادن المعروفة، النيكل والكوبالت، مع دعم الألمونيوم والمغنيزيوم). تقول Carbon Sciences إن مرافق اختباراتها تخلط ثاني أكسيد الكربون مع الميثان (المكون الرئيسي للغاز الطبيعي) بنجاح لإنتاج syngas بمكن تحويله إلى وقود عادي. إن عملية تحويل الـsyngas إلى وقود للنقل هي تقنية معروفة جيداً و يوجد بالفعل مرافق تجارية للتحويل من الغاز إلى السائل حول العالم. لكن تعتمد تلك العمليات على البخار أو الأكسدة لإنتاج الـsyngas. تجادل Carbon Sciences أن عمليتها – إعادة تشكيل ثاني أكسيد الكربون، أو إعادة التشكيل الجافة للغازالطبيعي – قد تكون نقلة لأنها ستنتج الوقود بينما تستهلك ثاني أكسيد الكربون المخلف الذي سيتم بثه في المناخ غير ذلك. كذلك يقول Elton أنه يجدر باستخدام الـCO[sub]2[/sub] المتوفر بسهولة كمتفاعل، جعل التكاليف الأولية والتشغيلية أقل بكثير من التوجهات التجارية الحالية التي تستخدم الأكسجين، بما أن ذلك مكلف ويتطلب رأس مال كبير. ويقول، "نؤمن بأن توجهنا سيكون مفتاح الوصول إلى تحويل فعال من حيث التكاليف للغازات الدفيئة إلى وقود على مستوى عالمي،" بالرغم من مجهودات إ