تكشف الأبحاث التي أجراها مختبر أوك ريدج الوطني بالولايات المتحدة حول أكسيد المغنيسيوم لالتقاط الكربون، عن تباطؤ معدل الامتصاص بمرور الوقت بسبب تكوين الطبقة السطحية، مما يشكل تحديات أمام الجدوى الاقتصادية وتوجيه الدراسات المستقبلية التي تركز على الحلول.
ويعد أكسيد المغنيسيوم مادة واعدة لالتقاط ثاني أكسيد الكربون مباشرة من الغلاف الجوي وحقنه في أعماق الأرض للحد من آثار تغير المناخ. ومع ذلك، فإن جعل هذه الطريقة اقتصادية سيتطلب اكتشاف السرعة التي يتم بها امتصاص ثاني أكسيد الكربون، وكيف تؤثر الظروف البيئية على التفاعلات الكيميائية المعنية.
ينات بلورات أكسيد المغنيسيوم
وقام العلماء في مختبر أوك ريدج الوطني التابع لوزارة الطاقة بتحليل مجموعة من عينات بلورات أكسيد المغنيسيوم المعرضة للغلاف الجوي لعقود من الزمن، وأخرى لعدة أيام إلى أشهر، لقياس معدلات التفاعل.
ووجد العلماء أن ثاني أكسيد الكربون يتم امتصاصه بشكل أبطأ على مدى فترات زمنية أطول بسبب الطبقة المتفاعلة التي تتشكل على سطح بلورات أكسيد المغنيسيوم.
وترتبط بلورات أكسيد المغنيسيوم الموجودة على الأرض بجزيئات ثاني أكسيد الكربون من الهواء المحيط، مما يؤدي إلى تكوين كربونات المغنيسيوم، فيما يقوم العلماء بعد ذلك بتسخين كربونات المغنيسيوم لتحويلها مرة أخرى إلى أكسيد المغنيسيوم وإطلاق ثاني أكسيد الكربون لوضعه تحت الأرض أو عزله.
مزيج معقد من المواد الصلبة
تقول جوليان ويبر، الباحثة الرئيسية في المشروع: "هذه الطبقة المتفاعلة عبارة عن مزيج معقد من المواد الصلبة المختلفة، مما يحد من قدرة جزيئات ثاني أكسيد الكربون على العثور على أكسيد المغنيسيوم الطازج للتفاعل معه".
أضافت: "لجعل هذه التكنولوجيا اقتصادية، فإننا نبحث الآن عن طرق للتغلب على تأثير التدريع هذا"، فيما يوضح أندرو ستاك، عضو الفريق في المشروع: "إذا تمكنا من القيام بذلك، فقد تكون هذه العملية قادرة على تحقيق هدف "Earthshot" للطاقة السلبية للكربون المتمثل في احتجاز مستويات جيجا طن من ثاني أكسيد الكربون من الهواء بأقل من 100 دولار لكل دقيقة".
واعتمدت معظم الأبحاث السابقة، التي تهدف إلى فهم مدى سرعة حدوث التفاعلات الكيميائية لأكسيد المغنيسيوم وثاني أكسيد الكربون، على حسابات تقريبية بدلاً من اختبار المواد. فيما تمثل الدراسة الحالية المرة الأولى التي يتم فيها إجراء اختبار متعدد العقود لتحديد معدل التفاعل على نطاقات زمنية طويلة، فيما وجد الباحثون أن الطبقة المتفاعلة تتشكل، باستخدام المجهر الإلكتروني النافذ في مركز علوم المواد النانوية، علماً بأنها تتكون من مجموعة متنوعة من المراحل الرطبة والكربونية المعقدة وغير المتبلورة.
وقال فيتالي ستارتشينكو، أحد الباحثين في المشروع: "بالإضافة إلى ذلك، من خلال إجراء بعض عمليات المحاكاة الحاسوبية لنمذجة النقل التفاعلي، قررنا أنه مع تراكم الطبقة المتفاعلة، فإنها تتحسن أكثر فأكثر في منع ثاني أكسيد الكربون من العثور على أكسيد المغنيسيوم الطازج للتفاعل معه، وبالتالي، فإننا نبحث في المستقبل عن طرق لتجاوز هذه العملية للسماح لثاني أكسيد الكربون بالعثور على سطح جديد يتفاعل معه".
وتساعد عمليات المحاكاة الحاسوبية العلماء والمهندسين على فهم كيفية تطور الطبقة المتفاعلة وتغيير الطريقة التي تتحرك بها المواد عبرها بمرور الوقت. تتيح النماذج الحاسوبية التنبؤات المتعلقة بتفاعلات وحركة المواد في الأنظمة الطبيعية والهندسية، مثل علوم المواد والكيمياء الجيولوجية.
اقرأ أيضاً:
ما هو احتجاز الكربون وما أهميته في ظل الاحترار العالمي؟
