یک سنگ مرمر مایع، با خطوطی که جریان مسیر داخلی آن را نشان می‌دهد.

CCS معمولاً زمانی است که انتشار گازهای گلخانه‌ای در منبع جذب می‌شوند، مانند یک نیروگاه زغال سنگ که با کامیون به یک مکان دورافتاده منتقل شده و در زیر‌زمین ذخیره می‌شود.

اما منتقدان می‌گویند سرمایه‌گذاری در جذب و ذخیره‌سازی کربن (CCS) به معنای شرط‌بندی روی فناوری‌هایی است که هنوز کارایی آن در مقیاس ثابت نشده است. در واقع، از نظر فناوری، طراحی مواد موثر جذب کننده کربن، چه جامد و چه مایع، از لحاظ تاریخی یک کار چالش برانگیز بوده است.

پس آیا می‌تواند راه حلی مناسب برای انتشار دی‌اکسید کربن صنعت سوخت فسیلی باشد؟

پژوهش در حال ظهور تحقیقات خارج از کشور نشان می‌دهد که "تیله‌های مایع" - قطرات ریز پوشیده شده با نانوذرات - احتمالاً می‌توانند چالش‌های فعلی در مواد مورد استفاده برای جذب کربن را برطرف کنند و تحقیق مدلسازی ما که دیروز منتشر شد، ما را به یک گام بزرگ به تحقق این فناوری آینده نگر نزدیکتر می‌کند.

مشکلات جذب کربن

بر اساس نقشه راه سرمایه‌گذاری فناوری، دولت موریسون CCS را یک تکنولوژی کم آلایندگی اولویت‌دار می‌داند و در حال سرمایه‌گذاری  به مبلغ 300 میلیون دلار استرالیا طی ده سال برای توسعه آن است.

اما اثر بخشی و کارایی CCS از مدت‌ها پیش بحث‌برانگیز بوده‌است به دلیل هزینه‌های عملیاتی بالا و مشکلات مقیاس‌پذیری برای یک برنامه گسترده‌تر.

یک مشکل مداوم، به طور خاص، اثربخشی مواد مورد استفاده برای جذب CO2 است، مانند جاذب‌ها. یک مثال "آمینه شویی نام دارد، روشی که از سال 1930 برای جداسازی، به عنوان مثال، CO₂ از گاز طبیعی و هیدروژن استفاده می‌شود.

مشکلات مربوط به شستشوی آمین شامل هزینه‌های بالای آن، مسائل مربوط به خوردگی و تلفات زیاد در مواد و انرژی است و تیله‌های مایع می‌توانند بر برخی از این چالش‌ها غلبه کنند.

این فناوری می‌تواند تقریباً با چشم غیرمسلح قابل مشاهده نباشد و برخی از تیله‌ها با قطر کمتر از 1 میلی‌متر هستند. مایعی که در خود نگه می‌دارد - معمولاً آب یا الکل - در مقیاس میکرولیتر است (یک میکرولیتر یک هزارم میلی لیتر است).

مرمرها دارای یک لایه بیرونی از نانوذرات هستند که یک پوسته منعطف و متخلخل را تشکیل می‌دهند و از نشت مایع داخل آن جلوگیری می‌کنند. به لطف این ذره، آنها می‌توانند مانند جامدات انعطاف پذیر، قابل کشش و نرم با هسته مایع رفتار کنند.

مرمرها چه ربطی به CCS دارند؟

تیله‌های مایع دارای توانایی‌های منحصر به فرد بسیاری هستند: می‌توانند شناور شوند، به آرامی غلت می‌زنند و می‌توانند روی هم قرار گیرند.

از دیگر خواص مطلوب می‌توان به مقاومت در برابر آلودگی، اصطکاک کم و دستکاری انعطاف‌پذیر اشاره کرد که آنها را برای کاربردهایی مانند جذب گاز، تحویل دارو و حتی به عنوان راکتورهای زیستی مینیاتوری جذاب می‌کند.

در زمینه جذب CO2، توانایی آنها در تعامل انتخابی با گازها، مایعات و جامدات بسیار مهم است. مزیت کلیدی استفاده از سنگ مرمر مایع، اندازه و شکل آنهاست، زیرا هزاران ذره کروی به اندازه تنها میلی متر می‌توانند مستقیماً در راکتورهای بزرگ نصب شوند.

گاز از راکتور به سنگ‌های مرمر برخورد می‌کند، جایی که به پوسته خارجی نانوذره می‌چسبد (در یک فرآیندی به نام "جذب"). سپس گاز با مایع درون واکنش می‌دهد و CO2 را جدا می‌کند و آن را در داخل سنگ مرمر می‌گیرد. بعداً می‌توانیم این CO2 را خارج کرده و در زیر زمین ذخیره کنیم و سپس مایع را برای پردازش آینده بازیافت کنیم.

این فرآیند می‌تواند روشی مقرون‌به‌صرفه‌تر برای جذب CO2 باشد، برای مثال، به دلیل مایع (و بازیافت بالقوه جامد) و همچنین استحکام مکانیکی بالا، واکنش پذیری، نرخ جذب و پایداری طولانی مدت مرمرها.

پس چه چیزی ما را متوقف می‌کند؟

علی‌رغم پیشرفت‌های اخیر، بسیاری از خواص مرمرهای مایع ناشناخته باقی مانده‌اند. علاوه بر این، تنها راه آزمایش سنگ مرمر مایع در حال حاضر از طریق آزمایش‌های فیزیکی انجام شده در آزمایشگاه است.

آزمایش‌های فیزیکی محدودیت‌های خود را دارند، مانند دشواری اندازه‌گیری کشش سطحی و مساحت سطح، که شاخص‌های مهمی از واکنش پذیری و پایداری سنگ مرمر هستند.

در این زمینه، مدل‌سازی محاسباتی جدید می‌تواند درک ما از این ویژگی‌ها را بهبود بخشد و می‌تواند به غلبه بر استفاده از روش‌های آزمایشی پرهزینه و زمان‌بر کمک کند.

یک چالش دیگر توسعه رویکردهای عملی، دقیق و در مقیاس بزرگ برای دستکاری آرایه‌های مرمر مایع در راکتور است. مدل‌سازی محاسباتی بیشتری که در حال حاضر روی آن کار می‌کنیم، با هدف تجزیه و تحلیل تغییرات سه‌بعدی در شکل‌ها و دینامیک سنگ‌های مرمر مایع، با راحتی و دقت بهتر است.

این افق‌های جدیدی را برای کاربردهای مهندسی بی‌شمار، از جمله جذب CO₂ باز خواهد کرد.

فراتر از جذب کربن

تحقیق در مورد مرمرهای مایع حدود 20 سال پیش به عنوان یک موضوع کنجکاوی آغاز شد و از آن زمان، تحقیقات مداوم باعث شده است پلتفرمی پرطرفدار با کاربردهایی فراتر از جذب کربن به وجود آید.

این فناوری پیشرفته نه تنها می‌تواند نحوه حل مشکلات آب و هوایی را تغییر دهد، بلکه مشکلات زیست محیطی و پزشکی را نیز تغییر می دهد.

به عنوان مثال، سنگ مرمرهای مایع مغناطیسی، پتانسیل خود را در روش‌های زیست پزشکی، مانند تحویل دارو، به دلیل قابلیت باز و بسته شدن آنها با استفاده از آهن ربا در خارج از بدن نشان داده‌اند.
از دیگر کاربردهای سنگ مرمر مایع می ‌توان به سنجش گاز، سنجش اسیدیته و تشخیص آلودگی اشاره کرد.

با مدل‌سازی و آزمایش‌های بیشتر، گام منطقی بعدی، افزایش مقیاس این فناوری برای استفاده اصلی خواهد بود.

مکالمه، 8 دسامبر

نویسندگان

چاریت راتنایاکا، دانشگاه ساحل آفتاب؛

امیلی ساورت، دانشگاه صنعتی کوئینزلند؛

Nam-Trung Nguyen، دانشگاه گریفیث.

Yuantong Gu، دانشگاه صنعتی کوئینزلند