Кожен день молочні заводи та виробники тофу по всьому світу виливають у каналізацію мільйони літрів білкової рідини. У швейцарській лабораторії вирішили: це не сміття, а сировина для порятунку клімату. Так з’явилися крихітні білі кульки, які витягують вуглекислий газ із повітря ефективніше, ніж більшість існуючих технологій, і при цьому не потребують ні високих температур, ні вакууму.
Згідно зі сценаріями Міжурядової групи з питань зміни клімату (IPCC), щоб утримати глобальне потепління в межах 1,5 °C, людству недостатньо просто скорочувати викиди. Потрібно видалити з атмосфери сотні мільярдів тонн CO₂, які вже там накопичилися протягом століть промислової революції. Одним із перспективних напрямків стала технологія прямого захоплення повітря DAC, що дозволяє вловлювати вуглекислий газ безпосередньо з атмосфери, навіть там, де його концентрація низька. Компанії та наукові групи витратили роки на розробку таких систем, і один із перших комерційних проєктів з’явився саме як відгалуження ETH Zurich. Проте досі цей процес залишався надто дорогим та енергоємним: традиційні установки потребують потужних джерел тепла, вакуумних насосів та працюють переважно там, де є дешева відновлювана енергетика, що суттєво обмежує їхнє поширення.
Дослідники з Цюрихського федерального технологічного інституту вирішили, що пастка для вуглецю може бути зроблена з того, що вже лежить на дні котлів і цистерн.
Губка для неба
Команда під керівництвом професора матеріалознавства Раффаеле Мецценги розробила матеріал, який виготовляється з неочікуваного джерела: сироватки та побічних продуктів виробництва тофу. Ці відходи містять великі кількості білків, які раніше утилізували як непотріб або здавали на переробку за мізерні гроші. Тепер учені витягують із рідини білки та збирають їх у довгі ниткоподібні структури амілоїдні фібрили. Згодом їх змішують із гідроксидом калію та формують пористі кульки діаметром від пів сантиметра до сантиметра.
«Отриманий матеріал схожий на губку, яка може поглинати великі кількості CO₂ за допомогою гідроксиду калію».
Так пояснює принцип роботи сам Раффаеле Мецценга, який майже двадцять років досліджує амілоїдні фібрили. Раніше він використовував їх для створення біорозкладних альтернатив пластику та технологій очищення води. Тепер черга за повітрям. Фібрили створюють пористий каркас, схожий на мікроскопічний бетон, а гідроксид калію заповнює пори, перетворюючи кожну кульку на мініатюрну хімічну лабораторію.
Коли кульки контактують із повітрям, гідроксид калію реагує з вуглекислим газом, утворюючи гідрокарбонат сіль вугільної кислоти. Ця реакція ефективно вилучає CO₂ з атмосфери та фіксує його всередині пористої структури. Процес відбувається природно, без електричного струму та складних механізмів.
Рекордна ефективність
У лабораторних тестах із звичайним атмосферним повітрям команда досягла вражаючого показника.
«У наших тестах із навколишнім повітрям ми змогли вилучити 97 міліграмів CO₂ за допомогою одного грама матеріалу».
Це означає, що один кілограм білкових кульок теоретично може захопити близько 100 грамів вуглекислого газу за один робочий цикл. За словами Чжоу Дуна, постдокторанта в групі Мецценги та головного автора дослідження, опублікованого в авторитетному журналі PNAS, цей результат перевершує можливості традиційних DAC-технологій на 1050 відсотків. Для галузі, де кожен відсоток ефективності вимірюється мільярдами доларів інвестицій, це серйозний стрибок.
Проте справжня революція не лише в кількості пойманого газу.
Кімнатна температура
Традиційні системи прямого захоплення зазвичай звільняють CO₂ за допомогою інтенсивного нагрівання до високих температур та створення негативного тиску. Це споживає колосальну кількість енергії та обмежує розташування заводів районами з дешевою електрикою часто в пустелях або поруч із геотермальними джерелами. Команда ETH Zurich пішла іншим шляхом: щоб відпустити захоплений газ, дослідники просто обприскують кульки м’якою кислотою та лужним розчином приблизно протягом десяти хвилин і все це при кімнатній температурі.
Хімічні зв’язки руйнуються без спеки.
Процес вимагає мінімуму енергії, а отриманий вуглекислий газ можна одразу зберігати під землею або переробляти в синтетичне паливо, будівельні матеріали та інші продукти, тримаючи його подалі від атмосфери. Це відкриває технології дорогу до регіонів, де немає гідроелектростанцій чи сонячних ферм під боком, адже для роботи достатньо звичайної кімнати та стандартного обладнання, яке вже використовується в харчовій промисловості.
Життя після роботи
Кульки не вичерпуються після першого використання. Лабораторні випробування показали, що матеріал зберігає продуктивність протягом тридцяти циклів захоплення та звільнення без суттєвої втрати ефективності. За оцінками Мецценги, заміна може знадобитися лише після кількох тисяч циклів показник, який робить технологію привабливою для бізнесу.
Але навіть тоді це не кінець історії.
Оскільки кульки повністю органічні та біорозкладні, після завершення служби їх можна використати як агрономічне добриво або переробити на біопаливо. Технологія вписується в модель кругової економіки: відходи харчової промисловості повертаються в землю, допомагаючи рослинам рости або генерувати енергію. Нічого не потрапляє на сміттєзвалище синтетичного пластику.
- Сироватка та побічні продукти тофу сировина, яка раніше виливалася у каналізацію чи утилізувалася як непотріб
- Амілоїдні фібрили ниткоподібні білкові структури, що формують каркас пористих кульок діаметром 0,51 см
- Гідроксид калію речовина всередині кульок, яка перетворює CO₂ на гідрокарбонат
- М’яка кислота та лужний розчин замість спеки та вакууму для звільнення пойманого газу за десять хвилин
- Біорозкладність після тисяч циклів кульки стають добривом або паливом, не забруднюючи довкілля
Дослідники також провели повний аналіз життєвого циклу та з’ясували, що нова технологія забруднює довкілля менше, ніж існуючі DAC-системи, від виробництва до утилізації. Це рідкісний випадок, коли інновація виграє за всіма параметрами одразу: ефективність, енергоспоживання та екологічний слід.
«Матеріали, які ми використовуємо для цього процесу, нетоксичні та харчові».
наголошує Мецценга. Це означає, що виробництво не вимагає рідкісних металів, агресивних розчинників чи синтетичних полімерів, які швидко розкладаються та створюють вторинне сміття. За словами Чжоу Дуна, сучасні синтетичні сорбенти швидко деградують, тоді як білкові кульки демонструють довговічність, яка робить їх серйозними конкурентами на ринку вуглецевих технологій.
Масштаб і вартість
Звісно, лабораторний успіх ще не промислова революція. У поточному дослідженні вчені працювали з кількома грамами матеріалу та захопили близько 50 грамів CO₂. Чи вдасться зберегти таку саму ефективність на заводських масштабах, коли кульки працюватимуть тоннами, а не грамами?
Мецценга впевнений: так.
Обприскувальна система для звільнення газу сумісна з промисловими методами, які вже широко використовуються у хімічній та харчовій галузях. Чжоу Дун продовжує досліджувати, як технологія поводитиметься при збільшенні обсягів. Точну вартість захоплення однієї тонни CO₂ ще не порахували, але Мецценга очікує, що вона буде суттєво нижчою за показники традиційних установок, які сьогодні оцінюються в сотні доларів за тонну.
Причина проста: енергія це гроші, а відходи безкоштовно.
Технологія базується на сировині, яка утворюється десятками тисяч тонн щодня по всьому світу від Нідерландів до Нової Зеландії. Не потрібно будувати гігантські теплоелектростанції поруч із заводом. Не потрібно імпортувати рідкісні каталізатори чи будувати спеціальні реактори з титану. Потрібно лише взяти сироватку, додати трохи науки та промислового обладнання, яке вже стоїть на харчових фабриках, і отримати матеріал, який чистить небо без шкоди для гаманця та довкілля.
Наступного разу, коли ви побачите розсіл від сиру або воду після тофу, згадайте: у Цюриху вже знають, що це не сміття. Це будівельний блок для чистого неба. І одного разу ці крихітні кульки можуть виявитися важливішими, ніж сам сир.
Про автора
