Ученые разработали устройство для поглощения углекислого газа из воздуха

Углекислый газ выполняет важную функцию в атмосфере Земли. Он вовлечен в процессы появления и разложения всех живых организмов и образования органических соединений из неорганических.
В биосфере СО2 поддерживает процесс фотосинтеза, который образовывает растительный мир суши и поверхности океана.
Совместно с молекулами воды, метана и озона он формирует «парниковый эффект».

Диоксид углерода — это парниковый газ, который в воздухе воздействует на теплообмен земли и является ключевым элементом в формировании земного климата.
На сегодняшний день прослеживается повышение концентрации двуокиси углерода в атмосфере из-за появления новых искусственных и естественных его источников. Это значит, что климат планеты будет меняться.

• Источники углекислоты
• Поглотители двуокиси углерода
• Взаимодействие с океаном
• Взаимодействие с землей
• Заключение

Большая часть диоксида углерода планеты естественного происхождения. Но также источниками СО2 являются промышленные предприятия и транспорт, которые обеспечивают выброс в атмосферу углекислого газа искусственного происхождения.

При перегнивании деревьев и травы каждый год выделяется 220 миллиардов тонн углекислого газа. Океанами выделяется 330 миллиардов тонн. Пожары, которые образовались в связи с природными факторами приводят к выбросу СО2, равному по количеству антропогенной эмиссии.

Естественными источниками углекислоты являются:

• Дыхание флоры и фауны. Растения и животные поглощают и вырабатывают СО2, так устроено их дыхание.
• Извержение вулканов. Вулканические газы содержат двуокись углерода. В тех регионах, где есть активные вулканы, углекислый газ способен выходить из земных трещин и разломов.
• Разложение органических элементов. Когда органические элементы горят и перегнивают появляется СО2.

Диоксид углерода хранится в углеродных комбинациях: угле, торфе, нефти, известняке. В качестве резервных хранилищ можно назвать океаны, в которых содержатся большие резервы углекислоты и вечную мерзлоту. Однако, вечная мерзлота начинает таять, это можно заметить по уменьшению снежных шапок самых высоких гор мира. При разложении органики наблюдается рост выделения в атмосферу углекислого газа. В результате чего хранилище преобразуется в источник.

Северные районы Аляски, Сибири и Канады — это в основном вечная мерзлота. В ней содержится много органического вещества. Из-за нагрева арктических регионов вечная мерзлота тает и происходит гниение ее содержимого.

Главными искусственными источниками CO2 считаются:

• Выбросы предприятий, которые происходят в процессе сгорания. Результатом является значительное повышение концентрации углекислого газа в атмосфере планеты.
• Транспорт.
• Превращение хозяйственных земель из лесов в пастбища и пахотные земли.

В мире растет количество экологических машин, но их процент по отношению к машинам внутреннего сгорания очень мал. Стоимость электрокаров выше обычных машин, поэтому многие не имеют финансовой возможности приобрести такой вид транспорта.

Интенсивное сокращение лесов для промышленности и сельского хозяйства относится к антропогенным источникам CO2 не в прямом смысле. Деятельность по уменьшению лесных массивов является причиной неучастия диоксида углерода в процессе фотосинтеза. Что приводит к его накоплению в атмосфере.

Поглотители двуокиси углерода

Поглотителями называют любые искусственные или природные системы, которые впитывают из воздуха углекислый газ. Поглотитель — это структура, которая вбирает из воздуха больше CO2 чем выбрасывает в него.

Леса способны воздействовать на количество двуокиси углерода в воздухе. Они могут быть и поглотителями, и источниками выбросов параллельно (при вырубке). Когда деревья увеличиваются, а лес растет, то углекислый газ поглощается. Данный процесс считается основой развития биомассы. Выходит, что прогрессирующий лес выступает поглотителем.

Лес северного полушария

При сжигании и уничтожении леса основная доля накопленного углерода опять преобразуется в углекислый газ. В итоге лес снова является источником СО2.
Фитопланктон также является поглотителем углекислого газа на земле. При этом большая часть поглощенного углерода, передаваясь по пищевой цепочке, остается в океане.

Самыми известными поглотителями СО2 считаются: раствор едкого калия, натронная известь и асбест, едкий натр.
Эти соединения при протекании химических реакций связывают углекислоту, преобразовывая ее в другие соединения. Существуют установки, которые улавливают углекислый газ из выбросов электростанций и преобразуют его в жидкое или твердое состояние с последующим применением в промышленности. Производятся испытания закачки углекислого газа, растворенного в воде, в базальтовые породы под землей. В процессе реакции образуется твердый минерал.

Станция закачки углекислого газа под землю

Взаимодействие с океаном

В океанах углекислота по наличию превышает атмосферное содержание, если пересчитать на углерод, то выйдет примерно 36 триллионов тонн. Растворенный в океане CO2 находится в виде гидрокарбонатов и карбонатов. Эти соединения образуются в процессе химических реакций между подводными скальными породами, водой и двуокисью углерода. Реакции эти обратимы, они вызывают образование известняковых и других карбонатных пород с высвобождением половины гидрокарбонатов в виде диоксида углерода.

Круговорот углекислого газа в океане

Протекая сотни миллионов лет, этот круговорот реакций привёл к связыванию в карбонатных породах большей части диоксида углерода из атмосферы Земли. По итогу большинство двуокиси углерода, полученной в результате интенсивных выбросов углекислого газа в атмосферу человеком, будет растворено в океанах. Но скорость, с которой будет протекать этот процесс в дальнейшем, остается неизвестной.
Наличие фитопланктона на поверхности океанов помогает поглощать СО2 из воздуха в океан. Некоторое количество углекислого газа фитопланктон поглощает при фотосинтезе, приобретая энергию и источник для развития клеток. Когда он погибает и спускается на дно, углерод остается с ним.

Взаимодействие с землей

Углекислый газ воздуха на генетическом уровне взаимосвязан с землей. Постоянно протекающие почвенные движения увеличивают резервы СО2 в воздухе, где он используется растениями на образование органических элементов. Углекислота выполняет важную функцию в формировании и проветривании почвы. Он принимает участие в разрушении основных минералов, увеличении растворяемости, перемещении карбонатов и фосфатов.

Значительная доля диоксида углерода грунтового воздуха появляется в результате деятельности почвенных организмов, во время распада и окисления органического элемента. До 1/3 части СО2 вырабатывается корнями высоких растений. Также происходит поступление углекислого газа с газами ювенильного и вадозного происхождения из глубочайших шаров земли. В почвах, сформированных на известковых породах, СО2 способен выступать продуктом разрушения углекислого кальция почвенными кислотами.

СО2 грунтового воздуха имеет огромную биологическую значимость. Ее излишек (больше 1%) подавляет проращивание семян и рост корневой системы. Если убрать углекислоту все равно ее кратковременный излишек приведет к медленному росту семян.

В почвах с большим содержанием органического вещества концентрация СО2 летом и весной увеличивается до 3-9 %. Черноземные грунты вырабатывают от 2 до 6 кг углекислого газа на протяжении 24 часов. В почвенном воздухе на глубине 75-150 см в два раза больше содержание СО2 нежели в верхних слоях. В теплые времена содержание СО2 в почвенном воздухе в два раз больше чем в зимний период. Объяснить это можно увеличением активности организмов в грунте.
Необходимо понимать, что многочисленные способы земледелия приводят к повышению концентрации углекислоты в грунте. Среди них можно выделить:

• органические удобрения;
• травосеяние;
• сжатие катками.

Безусловно, не стоит говорить, что плодородность и качество земли зависит исключительно от углекислоты, есть и другие факторы, влияющие на это.
Чтобы регулировать динамику СО2 в почве и увеличивать его содержание до требуемого количества для извлечения хорошего урожая необходимо:

• активировать жизненные процессы в грунте при помощи аэрации;
• осуществлять правильное травосеяние для того чтобы поддерживался и обновлялся резерв органического вещества;
• делать сидерацию и вносить органические удобрения.

Заключение

Несомненно, что без углекислого газа существование на нашей Земле кардинально отличалось бы. Он вовлечен в важнейшие биологические, химические, геологические и климатические процессы. О них важно знать для объяснения многих явлений, происходящих вокруг нас.

Экологическая обстановка в мире давно уже перестала радовать земные экосистемы. Множество заводов, без которых человечеству просто не обойтись, выбрасывают ежегодно в атмосферу около 10 миллиардов тон углекислого газа. Многие относятся к этому скептически, утверждая, что количество диоксида углерода не меняется в экосистеме Земли.

На деле, проблема не столько в превышении количества CO2, сколько в нарушении обмена веществ в экосистеме Земли. До начала промышленной деятельности человека углекислый газ, при взаимодействии с водой выпадал в осадок в виде карбонатов, потом переходил в почву, откуда служил для многих растений и водорослей удобрениями. Но это процесс, растянутый на десятки и сотни лет. Человечество же использует запасы миллионов лет в сокращенные сроки, перерабатывая твердые формы углерода в виде нефти и угля. При сжигании этих ископаемых в механизмах и на заводах происходит выброс диоксида углерода в воздух.

Единственный выход это воспользоваться другим механизмом и размножить флору. Фотосинтез — это естественный механизм, предусмотренный природой для переработки CO2. Сегодня эта система нужна, как никогда ранее. Производство диоксида углерода растет и соизмеримо выбросам должно расти количество лесов, джунглей, парков и искусственных насаждений. Растение поглощает углекислый газ и выделяет кислород.

Дневное дыхание растений

Дневное дыхание связано с двумя процессами: непосредственно дыханием и фотосинтезом. Процесс дыхания, как и у человека, связан с окислением органических соединений и выделением диоксида углерода, воды и энергии. Вместо человеческих легких выступает вся поверхность растения. Химическая формула, описывающая реакции в процессе

Любое дерево способно дышать всей поверхностью, даже поверхностью плодов. Но наиболее активно процесс дыхания происходит через устья листа, откуда и попадает по межклеточному пространству большая часть необходимых газов.

Если речь идет о дневном времени суток, то дыхание не столь заметно, как ночью. Поскольку работа растения направлена большей частью на постоянное запасание энергии в виде органических соединений (глюкозы). Попадающий в листья газ, при содействии воды и энергии солнечного света в хлоропластах превращается в глюкозу, которую организм запасает для дальнейшего использования. Собственно дыхание и является этим дальнейшим использованием.

Запасенная глюкоза, с помощью воды и кислорода разлагается на молекулы аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ), углекислый газ и водород. АТФ – это твердая энергия. Биологический аккумулятор клеток, который обеспечивает энергетическими запасами все живое на планете. Позднее эти запасы будут использованы в жизнедеятельности каждой молекулы организма.

Кажется, что образуется замкнутый круг: фотосинтез происходит с образованием глюкозы и кислорода, но что толку, если потом в результате дыхания растений выделяется диоксид углерода и АТФ. А энергию растения расходуют лично на себя, ничего не оставляя другим. Но весь вопрос в количестве. Далеко не весь кислород, который образуется во время фотосинтеза, поглощается организмом во время дыхания. Растения производят в разы больше, чем поглощают. Может этим они и отличаются от человека. А все энергетические запасы растений рано или поздно переходят в запасы животных или человека. Так растения отдают все свои накопления ради существования экосистемы Земли.

В среднем 1 гектар лесов ежегодно выделяет 4 тонны кислорода и потребляет 5 тонн углекислого газа. Человек в день выдыхает до 1 килограмма диоксида углерода, в год — 365 кг. Следовательно, 1 гектар леса поглощает углекислоту, которую выдыхают 13 человек.

С увеличением процента содержания углекислого газа в атмосфере теоретически можно ускорить рост зеленых насаждений на Земле. Многие исследования показывают, что в условиях теплиц СО2 можно использовать как «воздушное удобрение», ведь иногда при дыхании кислородом растениями поглощается еще и углекислый газ. Но так происходит это только в условиях экспериментов. На открытых пространствах начавшийся рост активизирует насекомых, которые не позволяют лесам и джунглям разрастись. А культурные растения от таких добавок превращаются в легкую добычу для вредителей. Поэтому, чтобы не говорили скептики, нарушение обмена углеродом это плохо.

Ночное дыхание растений

Процесс дыхания растений мало чем отличается от дыхания животных и человека. Есть и ночное дыхание. Это явление было открыто Отто Варбургом в начале XX века. Ночью света нет, а значит нет и энергии для фотосинтеза. Растения перестают вырабатывать O2, но не могут перестать дышать. Кислород поглощается, а углекислый газ все так же продолжает выделяться.

Белки, жиры и углеводы, запасенные в процессе жизнедеятельности днем, благодаря циклу Кресса превращаются в углекислый газ, молекулы АТФ и водород.

АТФ расходуются на дальнейшие нужды, углекислый газ уходит в атмосферу по устьицам, а вот водород окисляется до воды. Растение не может позволить себе сбрасывать водород в атмосферу, поскольку легко может погибнуть от этого, поэтому происходит частичный выброс паров воды. Большая часть организма растения – вода. Она нужна во всех процессах, включая дневное и ночное дыхание. Окисленный водород будет использован вновь в следующих реакциях.

Именно из-за ночного дыхания не рекомендуется ставить цветы в спальнях. Это увеличивает содержание углекислоты в комнате. Что никак не скажется на цветах, но будет чувствительно для человека.

Для дыхания растений существует пороговое значение содержания кислорода. При увеличении содержания О2 в воздухе до 5-8 процентов – интенсивность дыхания у растений скачкообразно растет. Но после это рост практически прекращается. Сейчас кислорода в воздухе около 21 процента. А значит, растениям еще долго не нужно будет о нем беспокоиться.

В природе есть еще одно интересное явление, названное САМ — фотосинтезом. Это явление характерно для пустынных цветов и растений. В вечной погоне за сохранением водных ресурсов, эти растения приспособились к проведению фотосинтеза в ночь.

Водоросли и CO2

Под водорослями понимают все растения, находящиеся под водой и не имеющие корня. Интенсивнее всего, из водорослей, поглощает углекислоту одноклеточные водоросли — фитопланктон. В основном все водоросли дышат растворенным в воде кислородом, за исключением нескольких видов, осуществляющих бескислородный фотосинтез. Те в качестве акцептора электронов при дыхании используют элементную серу.

Получение энергии в группе цианобактерий

Фитопланктон обитает в верхних слоях воды, поскольку ему требуется большое количество солнечной энергии для фотосинтеза. При наличии в воде растворенного углекислого газа фитопланктон осуществляет фотосинтезирующий процесс, побочным продуктом которого является кислород. Большим отличием этих водорослей от наземных растений является количество производимого кислорода. За один цикл фотосинтеза фитопланктон производит кислорода в 3-4 раза больше собственного веса. Неудивительно, что при таких показателях 70 процентов атмосферного кислорода произведено в воде.

Фотосинтез

О фотосинтезе уже шла речь в этой статье. Стоит рассмотреть его более подробно. Как уже говорилось ранее, фотосинтез происходит в хлоропластах. За две фазы происходит процесс образования новой молекулы глюкозы, которая после используется в химических процессах растения.

Во время световой фазы используется энергия солнца. Под ее действием вода отдает электрон и распадается на положительно заряженные частицы водорода (Н) и радикалы гидроксида (ОН). После этого оставшиеся частицы ОН образуют воду и кислород, который сразу же удаляется в атмосферу. В хлоропласте остались электроны и положительно заряженные частицы водорода. Эти частицы накапливаются на различных сторонах мембраны тилакоида (одной из частей хлоропластов), из-за разницы концентраций протоны из большей концентрации стремятся проникнуть через мембрану к протонам с меньшей концентрацией. Когда разность потенциалов между ними достигнет 200 миллиВольт, произойдет разряд и молекула АТФ зарядится, а никотинамидадениндинуклеотидфосфат (сокращенно НАДФ) восстановится до НАДФ*Н. Эти два компонента и будут необходимы в темновой фазе фотосинтеза.

Схематический процесс фотосинтеза

В теневой фазе АТФ является аккумулятором, а НАДФ курьером, который доставляет в другую часть хлоропласта протон Н. К тому же растению нужен будет СО2, который послужит основой для будущей молекулы глюкозы. В итоге химических реакций из молекул СО2 и водорода, с помощью энергии из АТФ получается глюкоза С6Н12О6, которая и является первым питательным веществом во всех пищевых цепочках Земли.

Хлоропласты — устройство для сбора солнечной энергии возрастом 3 миллиарда лет. Эта микроскопическая солнечная батарея дает жизнь лесам, полям, планктону морей, а также животным включая нас с вами.

Статья ставит перед собой цель довести до сведения людей информацию о газе, который необходим человеку для жизнедеятельности и поддержания важных процессов в природе на земле. Но его воздействие, при увеличении, дестабилизирует окружающую среду и может привести к глобальным и необратимым процессам разрушения для планеты. В настоящее время мы уже можем наблюдать изменение климатических условий на разных континентах, связанные с одним из значимых газов на земле – диоксидом углерода.

Происхождение

Образование диоксида углерода носит естественный характер. Основная часть углерода на Земле миллионы лет хранится в надежных кладовых карбонатных горных пород, вроде той, из которых состоят известные «Белые Скалы Дувра» на побережье Ла-Манша.

В создании этих скал участвовали существа, в тысячу раз меньше булавочной головки. Триллионы подобных, микроскопических существ — одноклеточные водоросли.

Вулканы, горячие источники и гейзеры выбрасывали CO2 в атмосферу, а океаны осуществляли его медленное поглощение. Сотни миллионов лет одноклеточные водоросли растворяли в себе двуокись углерода и формировали из нее крошечные раковины. Обилие этих раковин образовывало огромные залежи мела или известняка на дне океана. В результате смещения тектонических плит, земля подняла морское дно из глубины и высекла из него большие «Белые Скалы Дувра». Полипы и водоросли, которые умеют из воды извлекать известь, использовали двуокись углерода для постройки гигантских коралловых рифов. Сами же океаны превращали в известняк поглощенный диоксид углерода, без помощи со стороны живых существ.

Поглощение океаном CO2

С течением времени в атмосфере планеты остались едва заметные следы CO2, концентрация углекислого газа на данный момент составляет около 0,04 процента от общего объема воздуха. Сейчас наряду с азотом (N2), кислородом (O2) и аргоном (Ar) диоксид углерода образует составную часть воздуха планеты, которым мы дышим.

В массовом эквиваленте на кубометр воздуха приходится 760 миллиграмм CO2. Однако в этом и заключается разница между бесплодной пустошью и буйством жизни в земном саду. При полном отсутствии углекислого газа Земля превратилась бы в ледяной шар. При увеличении его в 2 раза, а именно при 8 молекулах на каждые 10000, нам стало бы не комфортно при такой жаре.

Открытие

Первооткрывателем углекислого газа является шотландский физик и химик, Джозеф Блэк (Joseph Black). В 1756 году ученный проводил эксперимент, нагревая белую магнезию (MgCO3). В результате нагрева он выявил, что карбонат магния разложился до жженой магнезии (оксида магния) с потерей массы и образованием так называемого «связанного воздуха». Этим воздухом, как не трудно догадаться, был диоксид углерода.

Впервые, при детальном изучении CO2, Джозеф Блэк доказал что, окружающий нас воздух, это не единая субстанция, а смесь газов. До этого момента все ученные считали воздух одним газом.

Круговорот в природе

Организмам и растениям для поддержания жизненных процессов необходим углерод, круговорот которого в углеродном цикле планеты осуществляется двуокисью углерода. Регулирование концентрации CO2, с конца докембрийского периода (540 млн. лет назад) и до начала индустриально-промышленной эпохи, производится происходящими в земной коре геологическими процессами и производящими фотосинтез организмами. Одни из них образуют и выбрасывают, другие поглощают и вдыхают.

Энергия света, попадая на растительные организмы, водоросли и некоторые виды бактерий, активирует процессы, производящие сложные органические соединения (углеводы) из простых неорганических (CO2 и вода). При этом кислород образуется в качестве побочного продукта. Двуокись углерода также является побочным продуктом организмов, для дыхания которым необходим кислород. Газ попадает в воду через жабры рыб и в воздух через легкие людей и животных. Углекислый газ появляется в результате распада органики (гниение) и в процессе брожения. Вулканы производят выброс углекислого газа, океаны осуществляют его поглощение. Сжигая дрова и другие органические материалы, ископаемые виды топлива, также происходит выделение углекислоты.

Промышленность и CO2

Диоксид углерода — востребованный промышленный материал, который используется во многих отраслях в твердом, жидком и газообразном состоянии.

• В качестве инертного газа при сварке.
• Является наполнителем для углекислотных огнетушителей.
• В качестве газа наддува в авиационных пушках и при добыче нефти.
• Его добавляют в питьевую воду, вино и газированные напитки.
• В твердом состоянии используется как хладагент.

Влияние на атмосферу

Наличие углекислоты регулировалось в течение длительного срока естественными процессами, происходящими на поверхности земли. К искусственным процессам увеличения содержания CO2, в охватывающих весь земной шар масштабах, наша цивилизация приступила в середине 20 века. Человечество, сжигая уголь, нефть и природный газ, производит огромные выбросы диоксида углерода, как отработанного и ненужного продукта в крупномасштабных процессах окисления.

Увеличение населения земли за последние сто лет в 5 раз (1900 год — 1,6 миллиарда человек, 2018 год – 7,6 миллиарда человек) также вносит существенный вклад в накопление этого газа. Производство и использование транспорта увеличивается с ростом населения. Вместе с возрастанием промышленности это приводит к значительной эмиссии CO2 в окружающий воздух. Естественные фильтровальные насосы (океаны и растения) не справляются с увеличением углекислого газа. Об этом говорят измерения, производимые постоянно в разных уголках земли. Так, наличие CO2 в доиндустриальную эпоху составляло 280 ppm, в наше время 406 ppm.

Усугубляет ситуацию вырубка и горение лесов. Пропуская ультрафиолетовое и поглощая инфракрасное (отраженное от земли) излучение углекислота способствует нагреванию океанов и атмосферы земли, образуется парниковый эффект. Увеличение и хорошее проникновение в верхние слои океанов, приводит к образованию угольной кислоты. Данный процесс вызывает окисление, что в совокупности с повышенной температурой, приводит к гибели фитопланктона, важнейшего поставщика кислорода на земле и утилизатора CO2.

Хоть немного узнав об углекислом газе, вы осознаете его значимость практически во всей биосфере земли. Сформировав эти не большие, но важные знания, можете ознакомиться с остальными взаимодействиями диоксида углерода в других статьях. Рассказать об этом своим родственникам, знакомым и друзьям и быть может мы, все вместе продлим существование нашей планеты. Что вы об этом думаете?

Ученые разработали новый способ извлечения углекислого газа из воздуха и хранения его в море.

Авторы GLOBALMOBILE  говорят, что этот новый подход улавливает CO2 из атмосферы в три раза эффективнее, чем существующие методы. Согревающий газ можно преобразовать в бикарбонат соды и безопасно и дешево хранить в морской воде. Эксперты говорят, что новый метод может ускорить развертывание технологии удаления углерода.

В то время как мир изо всех сил пытался ограничить и сократить выбросы углекислого газа в последние десятилетия, несколько компаний вместо этого сосредоточились на разработке технологий для удаления CO2 из атмосферы.

Climeworks в Швейцарии, пожалуй, самый известный. За последние десять лет компания разработала машины для всасывания воздуха из атмосферы, которые фильтруют и улавливают молекулы углекислого газа.

Хранение его под землей или в море в бывших нефтяных скважинах является одним из широко используемых подходов. Но новая статья предполагает, что с добавлением некоторых химикатов захваченный CO2 можно преобразовать в бикарбонат соды и просто и безопасно хранить в морской воде.

Доктор СенГупта говорит, что теперь он хочет создать дочернюю компанию для дальнейшего развития технологии. Он считает, что удаление CO2 таким образом будет иметь решающее значение не только для ограничения роста глобальной температуры, но и может напрямую расширить возможности развивающихся стран.

Специалисты должны перенести это в такие места, как Бангладеш, Барбадос или Мальдивы, у них тоже есть своя роль, они не могут быть просто сторонними наблюдателями, которые продолжают страдать.

Топливный элемент вырабатывает электрическое напряжение путем окисления восстановительного топлива (например, дигидрогена) и восстановления окислителя, например, кислорода из воздуха. Он состоит из двух биполярных пластин (одна распределяет водород, другая — кислород), двух электродов и ионообменной мембраны (которая выступает в качестве электролита). Кроме того, окисление обычно катализируется платиной. Но этот металл редкий и дорогой, поэтому ученые ищут альтернативы.

В отличие от традиционных батарей, электролит которых является кислым (ионы H+), топливные элементы с гидроксидообменной мембраной (HEM) имеют щелочную среду, что позволяет использовать более экономичные катализаторы и биполярные пластины. Однако на их работу в значительной степени влияет окружающий CO2, который препятствует оптимальной работе батареи. По словам исследователей, эта проблема приводит к падению производительности до 20%. Профессор Юшань Ян и его команда из Центра каталитической науки и технологий в Университете Делавэра поняли, что этот недостаток на самом деле может служить для удаления углекислого газа из воздуха.

Инновационная технология разделения

Улавливание CO2 из воздуха с помощью устройства, работающего на водороде, может привести не только к разработке более экологичных топливных элементов, но и потенциально помочь в борьбе с глобальным потеплением. “Мы поняли, что топливные элементы захватывают почти весь углекислый газ из воздуха, который в них попадает, и очень эффективно отделяют его с другой стороны”, — объясняет в своем заявлении Брайан Сетцлер, доцент кафедры химических и биомолекулярных инженерных исследований и соавтор научной статьи.

Это явление влияет на работу батареи, но команда поняла, что, таким образом, она может служить сепаратором углекислого газа — другими словами, батарея будет эффективно извлекать CO2 из воздуха. “Оказалось, что наш подход очень эффективен. Мы можем улавливать 99% углекислого газа из воздуха за один проход, если у нас будет правильная конструкция и конфигурация”, — сказал Ян.

Чтобы достичь такого высокого уровня эффективности, они интегрировали в электрохимическую систему короткозамкнутую мембрану, которая проводит как анионы (CO32-), так и электроны. Устройство работает на водороде, как топливный элемент, но не требует электрических проводов, биполярных пластин или токоприемников, и поэтому может модулироваться, как обычная разделительная мембрана, объясняет команда в журнале Nature Energy.

Высокоэффективное и экономичное устройство

Интеграция проводов устройства непосредственно в мембрану позволила создать более компактный, самонаматывающийся модуль – и, таким образом, увеличить площадь поверхности обмена при ограничении объема. Такая структура также позволяет частицам углекислого газа легче перемещаться с одной стороны на другую, поэтому модуль способен фильтровать большие объемы воздуха за один раз.

Результаты показывают, что электрохимическая ячейка с короткозамкнутой мембраной площадью 25 см² может удалять более 99% CO2 из воздуха со скоростью потока 2000 см³/мин в течение 450 часов и может эффективно работать в условиях динамической нагрузки. Ранний прототип устройства, размером с банку газировки, был признан способным фильтровать 10 литров воздуха в минуту, удаляя при этом более 98% углекислого газа, добавили исследователи. Для автомобильного применения устройство будет размером с галлон молока (около 3,7 литра), сказал Сетцлер.

Таким образом, эта инновационная система представляется одновременно эффективной и экономически выгодной для применения в топливных элементах. Кроме того, уменьшение количества необходимых компонентов приводит к значительному снижению затрат и, прежде всего, позволяет предусмотреть быстрый выход на рынок. “Наш технико-экономический анализ показывает, что компактный модуль, способный удалять более 99% CO2, стоит 112 долларов США для ячейки HEM мощностью 80 кВт”, — говорят авторы исследования.

Конечно, такое устройство может быть использовано для удаления углекислого газа и в других контекстах. Например, команда упоминает о возможности установки на борту космических кораблей или подводных лодок, где необходима непрерывная фильтрация воздуха. Его также можно использовать в самолетах и зданиях, где рециркуляция воздуха является одной из мер по энергосбережению.

Углекислый газ является инфракрасной активной молекулой, которая поглощает длинные инфракрасные излучения, испускаемые поверхностью Земли.

Было лето 1856 года, и Юнис Фут пыталась определить факторы, влияющие на тепло от солнечных лучей. Ее эксперименты привели к выводу, что замкнутая среда, богатая углекислым газом, нагревается на солнечном свете намного быстрее, чем на обычном воздухе. Кроме того, при удалении от прямых солнечных лучей она остывает намного медленнее.

Вы наверняка знаете, что углекислый газ является парниковым газом, ответственным за глобальное потепление (хотя технически “мы” несем за это ответственность). Но что позволяет ему считаться парниковым газом, в то время как другие основные компоненты воздуха таковыми не являются? Давайте узнаем, как газ, который делает вашу газировку, заставляет ледники таять!

Краткая история парниковых газов

Каждый день наша планета получает квинтиллион джоулей энергии от нашего любимого огненного небесного светила. Живительный солнечный свет – это коктейль из ультрафиолетовых, видимых и инфракрасных лучей. Затем она пропускает видимые лучи, которые освещают наш мир. И последнее, но не менее важное: инфракрасные лучи делают Землю теплым и уютным очагом жизни в огромной холодной пустоте.

Инфракрасные лучи, попадающие на поверхность Земли, поглощаются различными объектами и излучаются обратно в виде тепла. Отраженное тепло пытается уйти от нагретой поверхности к более холодным областям неба, и тогда оно сталкивается с привратниками тепла – парниковыми газами.

Некоторые газы, такие как углекислый газ, водяной пар, оксиды азота, метан и хлорфторуглерод, не дают теплу полностью уйти в космос. Если бы не они, наша планета была бы ледяным шаром со средней температурой 18 градусов ниже нуля!

Что делает углекислый газ парниковым газом?

В этом контексте, когда мы говорим об инфракрасном, мы имеем в виду инфракрасные лучи, отраженные поверхностью Земли, а не те, которые поступают с солнечным светом.

Основные компоненты воздуха, такие как азот и кислород, прозрачны для ИК-излучения, то есть они не взаимодействуют с этими лучами. Однако углекислый газ или CO2 является инфракрасно активным, то есть он претерпевает некоторое химическое взаимодействие с инфракрасным излучением, которое не дает ему покинуть планету (правда, не все). Что же происходит, когда эти молекулы преграждают путь инфракрасным лучам? Для этого нам нужно рассмотреть отдельные молекулы газа.

Молекулы газа находятся в состоянии постоянной вибрации, даже при нормальных условиях температуры и давления. Эти движения становятся более интенсивными при воздействии внешнего источника энергии. Теперь представьте себе молекулу CO2, в которой атомы углерода и кислорода представляют собой шарики для пинг-понга, а соединяющие их связи – пружины. В нормальных условиях эти связи сгибаются и растягиваются с определенной частотой и зависают в атмосфере.

Это же явление происходит снова и снова с триллионами молекул CO2. Непрерывное поглощение, возбуждение и повторное излучение энергии – вот что удерживает тепло внутри.

Почему азот и кислород не являются парниковыми газами?

В каждой молекуле есть положительные и отрицательные заряды из-за ядра и электронных облаков. Когда гетероатомные молекулы, такие как диоксид углерода, метан или диоксид азота, колеблются, происходит сдвиг в их распределении заряда. Иногда они распределяются равномерно, а иногда нет. Неравномерное распределение зарядов между связями создает электрическое поле, которое делает их чувствительными к электромагнитным излучениям, таким как инфракрасное.

Однако в случае гетероатомных газов, таких как N2 и O2, даже когда связи растягиваются, электрическое поле не изменяется. Таким образом, электромагнитные излучения проходят через них беспрепятственно. Кроме того, молекулы очень разборчивы, когда речь идет о том, с какой частотой излучения они взаимодействуют. CO2 легко поглощает длинноволновое инфракрасное излучение с низкой энергией, а N2 и O2 поглощают только излучения с высокой энергией, такие как гамма- или рентгеновские лучи.

Является ли CO2 самым опасным парниковым газом?

Одна молекула хлорфторуглерода может создать след, эквивалентный 10 000 молекул CO2, метан может поглотить в 30 раз больше тепла, а водяной пар является самым сильным среди всех парниковых газов, присутствующих в воздухе.

Несмотря на то, что эти газы гораздо более мощные парниковые газы, чем CO2, их концентрация не подвержена значительному влиянию человеческой деятельности. То же самое нельзя сказать о CO2, поскольку он является основным побочным продуктом многих видов деятельности человека. С 1970 года объем выбросов CO2 увеличился на 90%, поэтому, хотя по своей сути он не является самым опасным парниковым газом, он стал предметом беспокойства из-за его чрезмерного и практически нерегулируемого выброса в атмосферу.

Углекислый газ является очень важным фактором в поддержании нашего статуса “планеты золотого сечения”. Благодаря ему наши воды остаются жидкими, а наш дом – пригодным для жизни, но лето с каждым годом становится все жарче из-за дисбаланса, который мы создали чрезмерными выбросами. К счастью для нас, природа предоставила нам колоссальные поглотители углерода в виде почвы, лесов и океанов. Самое меньшее, что мы можем сделать, это сохранить и восстановить их и позволить им выполнять свою работу!

Ежегодно вследствие деятельности человека выделяется более 44 миллиардов тонн двуокиси углерода. По результатам исследования, опубликованным в 2018 году в журнале Nature Climate Change, на долю туризма, и в первую очередь авиаперелетов, приходится 8% годовых выбросов.

Во время пандемии мы стали свидетелями того, как замедление глобальной экономики, основанной на ископаемом топливе, положительно отразилось на окружающей среде. Это стало откровением для многих туристов и заставило их задуматься о том, как уменьшить свой углеродный след.

Как работает технология прямого захвата углерода из воздуха

Швейцарская компания Climeworks разработала проект установок для улавливания CO2. Модульные машины Climeworks при помощи вентиляторов втягивают воздух в коллектор, в котором углерод захватывается фильтром из органических соединений. Когда фильтр заполняется, коллектор закрывается и нагревается до 100 °C, в результате чего высвобождается чистая двуокись углерода.

На принадлежащей Climeworks геоТЭС Хедлисхейди в Исландии углерод соединяется с водой и закачивается под землю. Там он вступает в реакцию с базальтовыми породами и в течение нескольких лет превращается в камень.

Работы на геотермальной станции Хедлисхейди были проведены совместно с компанией CarbFix, специализирующейся на «минерализации» углекислого газа.

Системы захвата углерода из воздуха Climeworks питаются от возобновляемых источников энергии: в Хедлисхейди — от геотермальной электростанции; в Хинвиле (Швейцария) — от мусоросжигательного завода. Другие проекты по захвату углерода в мире, в том числе Carbon Engineering в Канаде и Global Thermostat в США, также используют зеленую энергию.

Искусственный лес

Завод по выкачиванию углекислого газа — это своего рода суперлес.

Настоящие леса поглощают углерод, но большинство специалистов сходятся в том, что этот процесс слишком медленный и леса не в состоянии справиться с нынешними объемами выбросов.

«Биосфера земли и океан, вместе взятые, нейтрализуют лишь половину углекислого газа, выделяемого в атмосферу каждый год. Мы должны ускорить этот процесс».

Недавнее исследование показало, что ледники тают стремительными темпами, а это может означать наихудший сценарий из описанных Межправительственной группой экспертов по изменению климата в 2018 году. Мы должны ускорить удаление углекислого газа из атмосферы, но и при этом не навредить мировому океану (поглощение двуокиси углерода ведет к закислению океана) и почве.

Дженнифер Уилкокс

«Завод по прямому захвату углерода из воздуха в сто раз эффективнее леса. Земля — ограниченный ресурс. Преимущество улавливания углерода в том, что для этого не нужно использовать пахотные земли».

Каждый коллектор на заводах Climeworks захватывает количество углекислого газа, сопоставимое с тем, что поглощают 2000 деревьев. Кроме того, благодаря тому, что концентрация углекислого газа везде одинаковая, эти заводы могут находиться в любой точке мира.

Что делают авиакомпании

Чтобы реализовать свой план по захвату углерода, United Airlines планирует совместно с 1PointFive построить в Техасе крупный завод, который будет «высасывать» из атмосферы миллион тонн углекислого газа в год.

Проекты по улавливанию углерода хороши еще тем, что позволяют перерабатывать его и использовать в качестве сырья. Например, углекислый газ с завода в Хинвиле используется для подкормки парниковых растений и газирования минеральной воды.

«Бизнес-модель, предполагающая дальнейшую продажу углекислого газа, способствует развитию зеленых технологий».

В сочетании с водородом, полученным из возобновляемых источников энергии, захваченный углерод можно использовать и для создания экологически чистого авиатоплива. Такое топливо, например, производит Norsk e-Fuel.

Хоть в этом случае углекислый газ и не удаляется из атмосферы навсегда, этот способ позволяет создать экономику замкнутого цикла, а также рынок по захвату углерода, что может в будущем помочь изменить ситуацию к лучшему.

Что могут сделать путешественники

Объединение путешественников Tomorrow’s Air, сотрудничающее с Climeworks, планирует привлечь к решению этой экологической проблемы туристов. Пассажиры смогут компенсировать выбросы, делая ежемесячные взносы на улавливание углерода, и одновременно получать специальные предложения от компаний-партнеров. В рамках инициатив Artists for Air и Airbnb Climeworks tours люди могут узнать, как технология захвата углерода помогает бороться с изменением климата.

Кристина Бекманн, основательница Tomorrow’s Air

«Теперь путешественники могут тоже вступить в борьбу с изменением климата. Мы должны сделать всё, что в наших силах, чтобы сократить выбросы. Пришло время задуматься о постоянном хранении углерода».

Туристы видят последствия изменения климата и ищут способы исправить ситуацию. «Последние два лета были самыми теплыми в истории. В Гренландии ледники тают на глазах», — говорит Люкке Гайслер-Якабойлу, основательница компании Sila Greenland, занимающейся продвижением туризма в Гренландии. Гайслер-Якабойлу недавно присоединилась к Tomorrow’s Air и планирует включить углеродную компенсацию в стоимость предлагаемых ее компанией туров.

Традиционные методы компенсации вроде посадки деревьев, конечно, действенны, но прямой захват углерода позволяет получить мгновенный эффект. «Чтобы извлечь пользу из посаженного дерева, нужно ждать 50 лет, но выбросы происходят сегодня», — говорит Голдберг.

Лесовосстановление также осложняется участившимися по всему миру лесными пожарами, которые ведут к тому, что удаленный углерод возвращается обратно в атмосферу. «Сокращение выбросов, а также захват и хранение оставшегося CO2 помогут существенно улучшить ситуацию», — добавляет Голдберг.

Сортировка отходов — психотерапия для бедных. Как корпорации заставили нас бесплатно делать их работу и почему раздельный сбор мусора бесполезен

Как реализовать потенциал технологии

Проинформированные о преимуществах удаления углерода путешественники будут подходить к своим поездкам более ответственно.

«Во всех наших турах заложена углеродная компенсация. Мы сотрудничаем с разными проектами, в том числе с Climeworks, — говорит основатель The Explorer’s Passage Джефф Бональди. — Туристы знают, куда идут их деньги, и благодаря этому начинают воспринимать свои поездки как нечто большее, чем просто приключение. Они понимают, что помогают планете».

«Одной технологии недостаточно. Правительства также должны поддерживать подобные проекты», — считает Уилкокс.

План Джо Байдена по достижению углеродной нейтральности к 2050 году подразумевает налоговые стимулы и федеральные инвестиции в улавливание углерода.

У технологии прямого захвата углерода большой потенциал в борьбе с изменением климата и создании экологичного транспорта. Но это ни в коем случае не панацея. Технология должна применяться в сочетании с другими методами сокращения выбросов, предупреждают специалисты.

«Нам придется делать и то и другое: как можно быстрее развивать технологию прямого захвата углерода и сокращать выбросы. У нас нет выбора», — говорит Голдберг.

Международный коллектив ученых, включая исследователей из Красноярска, установил, что процесс набора массы в стволе дерева продолжается еще около месяца после того, как рост очередного годичного кольца прекратился.

Такие исследования нужны для оценки, насколько деревья способны тормозить глобальное потепление, забирая из атмосферы «лишний» углекислый газ — парниковый газ, увеличение концентрации которого в атмосфере является основной причиной глобального потепления.

«Когда мы смотрим, как растет дерево, мы обычно забываем о том, что в то время, когда ствол уже перестает утолщаться в процессе сезонного роста и у нас есть практически сформировавшееся годичное кольцо, ширина которого не будет меняться со временем, процесс увеличения его массы продолжает идти в тканях ствола. Накопление биомассы, формирование клеточных стенок — все, что связано с углеродным циклом, идет дольше примерно на месяц в деревьях, произрастающих в различных условиях в Северном полушарии», — пояснила Марина Брюханова, старший научный сотрудник лаборатории структуры древесных колец Института леса имени Сукачева СО РАН.

В работе были использованы результаты исследований радиального роста хвойных деревьев многих научных групп из разных стран Северного полушария. Марина Брюханова и Александр Кирдянов, старший научный сотрудник отдела дендроэкологии Института леса, проводили свою часть работ на одном из стационаров института на севере Красноярского края. «Мы чуть ли не единственная группа в мире, которая проводит подобные исследования для лесных экосистем на вечной мерзлоте», — отметил Кирдянов.

Ученые с конца мая по середину сентября с интервалом от трех до семи дней брали у «подопытных» деревьев небольшие кусочки формирующихся годичных колец из стволов — высечки. За лето для каждого дерева было собрано 16—20 таких образцов. Больше взять не получится, так как сезон роста в Северном полушарии короткий.

«Мы наблюдаем увеличение числа клеток древесины и процесс их формирования: сначала маленькие, тонкие клетки, которые образуются в зоне камбия (между древесиной и корой), начинают делиться и откладываться в зону ксилемы (древесины), затем растягиваюся, но еще не функционируют — не проводят воду. Далее у них начинает формироваться клеточная стенка, а на последнем этапе она полностью лигнифицируется, живая часть клеток (протопласт) отмирает, и они начинают проводить воду», — рассказала Брюханова.

Такие исследования нужны для изучения и прогнозирования динамики глобального потепления, поскольку в процессе роста и набора массы деревья забирают углерод в виде углекислого газа из воздуха. «Концентрация углекислого газа в атмосфере растет вследствие сжигания ископаемого топлива. Деревья берут на себя часть этого углерода — около 15% от того, что ежегодно выбрасывается в атмосферу, — и сохраняют его на протяжении довольно долгого времени, до нескольких сотен лет. Таким образом они немного тормозят процесс потепления», — пояснил Кирдянов.

Кроме того, полученные данные помогут уточнить результаты дендроклиматологических исследований, которые посвящены изучению истории климатических вариаций по древесным кольцам деревьев. Методы дендроклиматологии позволяют получить информацию о климатических колебаниях, происходивших на протяжении тысяч лет.

«В годичных кольцах деревьев, размере, количестве клеток, изотопном составе и других параметрах заложена информация об изменениях условий среды. Знание о том, что есть задержка между приростом дерева и процессами накопления биомассы в стволе, позволяет выяснить, на какие условия внешней среды дерево реагирует», — объяснила Брюханова.

Исследования российской группой ученых были выполнены при поддержке Российского научного фонда. Результаты опубликованы в журнале Nature Plants.

Выветривание большого количества мелких частиц горных пород может быть средством снижения концентрации парниковых газов в атмосфере. В то время как выветривание является медленным естественным процессом, в ходе которого минералы вступают в химическую реакцию с СО2, ускорение этого процесса может помочь в снижении климатических рисков. К такому выводу пришли исследователи Потсдамского института исследований воздействий на климат (PIK). Работа была в журнале Environmental Research Letters. Об этом сообщается в пресс-релизе PIK.

“Парижское соглашение подразумевает баланс между объемами антропогенных выбросов углекислого газа и абсорбции поглотителями СО2 во второй половине 21 века с целью сдерживания роста температуры в пределах 2°C”, – говорит ведущий автор работы, исследователь PIK Джессика Стрефлер.

Эксперт подчеркивает, что требуется значительно сократить количество сжигаемого ископаемого топлива, в частности угля. “Тем не менее есть ряд промышленных процессов, в которых добиться сокращения выбросов СО2 сложно, поэтому поглощение углекислого газа из воздуха и его безопасное хранение в том числе благодаря выветриванию горных пород – крайне актуальная тема”, – говорит Стрефлер.

В связи с этим ученые решили оценить, как усиление выветривания горных пород поможет смягчить воздействие на климат. В исследовании PIK были учтены добыча и измельчение горных пород, а также их транспортировка.

“Наши расчеты показывают, что усиленное выветривание может быть конкурентоспособным при $60 за тонну СО2, удаленного из атмосферы при помощи дунита (горная порода), и $200 за тонну СО2, удаленного при помощи базальта”, – поясняет Стрефлер.

Как подчеркивают авторы, эти цены вдвое выше, чем цены на углерод, обсуждаемые в ходе нынешних политических дискуссий, а также выше стоимости лесовосстановления – €24 на тонну выведенного СО2. Это является основной преградой для дальнейшей реализации выветривания как способа уменьшения выбросов углекислого газа.

Исследователи отмечают, что в данной области требуются дальнейшие исследования, так как дунит содержит вредные вещества вроде хрома и никеля, которые могут высвобождаться во время процесса выветривания. По этой причине исследователи в большей степени фокусируются на базальте, как на более устойчивом варианте горной породы. По подсчетам авторов, для изоляции 1 млрд тонн СО2 требуется более 3 млрд тонн базальта.

, полученным в обсерватории на Мауна-Лоа (Гавайи), самые большие выбросы СО2 в атмосферу Земли наблюдались с 2015 по 2017 гг. В эти годы концентрация углекислого газа достигла рекордной отметки в 400 частей на миллион. В феврале 2017 г. станция мониторинга парниковых газов на Мауна-Лоа сообщила, что уровень парникового газа достиг 406,42 частей на миллион.

Абсорбер, разработанный в ТРИНИТИ, не только очищает воздух от загрязнений, но и снижает уровень концентрации углекислого газа, который образуется вследствие дыхания людей и поступает с улицы при проветривании помещений

МОСКВА, 22 сентября. /ТАСС/. Ученые Троицкого института инновационных и термоядерных исследований (ГНЦ РФ ТРИНИТИ, предприятие Росатома) создали абсорбер широкого спектра применения для поглощения избыточного уровня концентрации углекислого газа. Об этом в среду сообщила пресс-служба института.

В отличие от существующих на рынке бытовых воздухоочистителей, абсорбер, разработанный в ТРИНИТИ, не только очищает воздух от загрязнений, но и снижает уровень концентрации углекислого газа, который образуется вследствие дыхания людей и поступает с улицы при проветривании помещений. Устройство, как уточнили в пресс-службе, может быть изготовлено в трех вариантах: мобильное, стационарное и встроенное в вентиляцию.

“Превышение уровня содержания углекислого газа негативно влияет на здоровье и самочувствие человека. Установка позволяет создавать оптимальный микроклимат в помещениях. Помимо поддержания нормальной концентрации CO2, абсорбер уничтожает бактерии и вирусы, очищает воздух от аллергенов, а также насыщает его микроэлементами, содержащимися в морской соли”, – рассказал о разработке генеральный директор ТРИНИТИ Дмитрий Марков, слова которого приводит пресс-служба.