Die Kohlenstoffabscheidung und -speicherung (CCS) wird immer wieder als eine der entscheidenden Technologien angepriesen, die Australien dabei helfen könnten, seine Klimaziele zu erreichen, und spielt im Plan der Bundesregierung für Netto-Null-Emissionen bis 2050 eine wichtige Rolle.

Eine flüssige Murmel, deren Linien die Flugbahn ihres Inneren anzeigen Fluss

 

CCS ist im Allgemeinen, wenn Emissionen an der Quelle erfasst werden B. aus einem Kohlekraftwerk, per LKW an einen abgelegenen Ort transportiert und unter der Erde gelagert.

Kritiker sagen jedoch, dass Investitionen in die CO2-Abscheidung und -Speicherung (CCS) bedeuten, auf Technologien zu setzen, deren Wirksamkeit in großem Maßstab noch nicht nachgewiesen ist. Aus technologischer Sicht war die Entwicklung effektiver Kohlenstoff-absorbierender Materialien, sowohl fester als auch flüssiger Natur, in der Vergangenheit eine anspruchsvolle Aufgabe.

Könnte es also jemals eine praktikable Lösung für die Kohlendioxidemissionen der fossilen Brennstoffindustrie sein?

Neue Forschung im Ausland zeigt, dass „flüssige Murmeln“ – winzige Tröpfchen, die mit Nanopartikeln beschichtet sind – möglicherweise aktuelle Herausforderungen bei Materialien zur Kohlenstoffbindung lösen könnten. Und unsere Modellierungsforschung, die gestern veröffentlicht wurde, bringt uns der Verwirklichung dieser futuristischen Technologie einen großen Schritt näher .

Probleme mit der CO2-Abscheidung

Im Rahmen seiner Roadmap für Technologieinvestitionen betrachtet die Regierung von Morrison CCS als eine vorrangige emissionsarme Technologie und investiert 300 Millionen A$ über einen Zeitraum von zehn Jahren, um es zu entwickeln.

Aber die Wirksamkeit und Effizienz von CCS ist schon seit langem bekannt umstritten aufgrund der hohen Betriebskosten und der Skalierungsprobleme für eine breitere Anwendung.

Ein anhaltendes Problem ist insbesondere die Wirksamkeit der zur CO₂-Abscheidung verwendeten Materialien, wie beispielsweise Absorptionsmittel. Ein Beispiel ist die „Aminwäsche, eine Methode, die seit 1930 zur Abtrennung von beispielsweise CO₂ eingesetzt wird aus Erdgas und Wasserstoff.

Zu den Problemen bei der Aminwäsche gehören die hohen Kosten, korrosionsbedingte Probleme und hohe Material- und Energieverluste. Flüssige Murmeln können einige dieser Herausforderungen meistern.

Diese Technologie kann für das bloße Auge nahezu unsichtbar sein, wobei einige Murmeln einen Durchmesser von weniger als 1 Millimeter haben. Die darin enthaltene Flüssigkeit – am häufigsten Wasser oder Alkohol – liegt im Mikroliterbereich (ein Mikroliter ist ein Tausendstel Milliliter).

Die Murmeln haben eine äußere Schicht aus Nanopartikeln, die eine flexible und poröse Hülle bilden und verhindern, dass die Flüssigkeit im Inneren austritt. Dank dieser Panzerung können sie sich wie flexible, dehnbare und weiche Feststoffe mit einem flüssigen Kern verhalten.

 

Was haben Murmeln mit CCS zu tun?<

Flüssige Murmeln haben viele einzigartige Fähigkeiten: Sie können schweben, sie rollen reibungslos und sie können übereinander gestapelt werden .

Zu den weiteren wünschenswerten Eigenschaften gehören Beständigkeit gegen Verschmutzung, geringe Reibung und flexible Handhabung, was sie für Anwendungen wie die Gaserfassung, Medikamentenverabreichung und sogar als Miniatur-Bioreaktoren.

Im Kontext der CO₂-Abscheidung ist ihre Fähigkeit zur selektiven Interaktion mit Gasen, Flüssigkeiten und Feststoffen von entscheidender Bedeutung. Ein wesentlicher Vorteil der Verwendung flüssiger Murmeln ist ihre Größe und Form, da Tausende von nur Millimeter großen kugelförmigen Partikeln direkt in große Reaktoren eingebaut werden können.

Gas aus dem Reaktor trifft auf die Murmeln, wo es an der Außenhülle der Nanopartikel haftet (in einemProzess namens „Adsorption“). Das Gas reagiert dann mit der darin enthaltenen Flüssigkeit, trennt das CO₂ ab und fängt es in der Murmel ein. Später können wir dieses CO₂ entnehmen und unter der Erde speichern und die Flüssigkeit dann für die zukünftige Verarbeitung recyceln.

Dieser Prozess kann eine zeit- und kosteneffizientere Methode zur CO₂-Abscheidung sein, beispielsweise aufgrund der Flüssigkeit (und (potenziell festes) Recycling sowie die hohe mechanische Festigkeit, Reaktivität, Sorptionsraten und Langzeitstabilität der Murmeln.

Was hält uns also davon ab?

Trotz jüngster Fortschritte sind viele Eigenschaften flüssiger Murmeln noch immer unklar. Darüber hinaus besteht die einzige Möglichkeit, flüssige Murmeln derzeit zu testen, in physikalischen Experimenten, die in einem Labor durchgeführt werden.

Physikalische Experimente haben ihre Grenzen, wie zum Beispiel die Schwierigkeit, die Oberflächenspannung und die Oberfläche zu messen, die wichtige Indikatoren dafür sind Reaktivität und Stabilität von Marmor.

In diesem Zusammenhang ist unsere neue rechnerische Modellierung kann unser Verständnis dieser Eigenschaften verbessern und dazu beitragen, den Einsatz kostspieliger und zeitintensiver, rein experimenteller Verfahren zu vermeiden.

Eine weitere Herausforderung besteht in der Entwicklung praktischer, strenger und groß angelegter Ansätze zur Manipulation von Flüssigmarmoranordnungen im Reaktor. Weitere Computermodelle, an denen wir derzeit arbeiten, zielen darauf ab, die dreidimensionalen Veränderungen in der Form und Dynamik flüssiger Murmeln einfacher und genauer zu analysieren.

Dies wird neue Horizonte für eine Vielzahl technischer Anwendungen eröffnen, einschließlich der CO₂-Abscheidung.

Jenseits der CO2-Abscheidung

Die Forschung zu flüssigen Murmeln begann vor etwa 20 Jahren als ein neugieriges Thema, und seitdem hat sich die kontinuierliche Forschung zu diesem Thema entwickelt eine gefragte Plattform mit Anwendungen über die Kohlenstoffabscheidung hinaus.

Diese Spitzentechnologie könnte nicht nur die Art und Weise verändern, wie wir Klimaprobleme lösen, sondern auch Umwelt- und medizinische Probleme.

Magnetische Flüssigmurmeln haben beispielsweise ihr Potenzial in biomedizinische Verfahren, wie etwa die Verabreichung von Medikamenten, aufgrund ihrer Fähigkeit, mithilfe von Magneten außerhalb des Körpers geöffnet und geschlossen zu werden. Zu den weiteren Anwendungen flüssiger Murmeln gehören die Gaserkennung, die Säureerkennung und die Erkennung von Verschmutzungen.

Mit mehr Modellierung und Experimenten wäre der nächste logische Schritt, diese Technologie für den Mainstream-Einsatz zu skalieren.

Das Gespräch, 8. Dezember

Autoren

Charith Rathnayaka, University of the Sunshine Coast;

Emilie Sauret, Queensland University of Technology;

Nam-Trung Nguyen, Griffith University;

Yuantong Gu, Queensland University of Technology