A klímaváltozás megoldása a meddőhányókban hever

A Stanford Egyetem kutatói rájöttek, hogyan lehet közönségesen előforduló kőzeteket hevítéssel úgy átalakítani, hogy azok gyorsan nagy mennyiségű szén-dioxidot nyeljenek el a légkörből, s így mérsékeljék a klímaváltozást.

A Stanford Egyetem (Kalifornia, USA) vegyészei kidolgoztak egy olcsó és praktikus eljárást a légköri szén-dioxid tartós megkötésére. A légköri szén-dioxid mint üvegházhatású gáz a klímaváltozás fő hajtóereje. Az új eljárás során közönségesen előforduló ásványokat hevítéssel olyan anyaggá alalítanak, amely spontán módon szén-dioxidot von ki a légkörből, és örökre csapdába ejti azt. Ezeket a magas reakciókészségű anyagokat egy hagyományos ipari kemencében elő lehet állítani, például olyanban, amilyet a cementgyártáshoz használnak. 

Szén-dioxidot elnyelő ásvány
Fotó: Wikimedia

 

Szén-dioxidot kivonó ásványok 

Földünk kimeríthetetlen tartalékokkal rendelkezik olyan ásványokból, amelyek képesek szén-dioxidot kivonni a légkörből, csak éppen ezek maguktól nem lépnek elég gyorsan reakcióba ahhoz, hogy ellensúlyozzák az emberi üvegházhatásúgáz-kibocsátást”  

– magyarázza Matthew Kanan, a Stanford Egyetem Humán- és Természettudományi Karának vegyészprofesszora és a Nature-ben megjelent közlemény rangidős szerzője. – „Munkánk során olyan megoldást kínáltunk erre a problémára, amely véleményünk szerint egyedülálló mértékben felskálázható.” 

A természetben közönségesen előforduló szilikátásványok mállási folyamatuk során spontán módon reagálnak a vízzel és a légköri széndioxiddal, s ennek nyomán stabil hidrogénkarbonát-ionok és szilárd karbonátos kőzetek keletkeznek. Ez a reakció azonban, ha magától megy végbe, évszázadokig vagy évezredekig is eltarthat. Tudósok az 1990-es évek óta kutatják, milyen „felturbózótt” mállási folyamat révén tudnák a kőzetekkel gyorsabban elnyeletni a szén-dioxidot. 

Kanan és posztdoktor kollégája, Yuxuan Chen laboratóriumukban kifejlesztettek egy új módszert, amelyről megmutatták, hogy a lassan málló szilikátokat sokkal reaktívabb, s ezért a légköri szén-dioxidot gyorsan megkötő és eltároló ásványokká alakítja. 

A Stanford Doerr Fenntarthatósági Karának támogatása segíti a kutatókat abban, hogy eredményeiket mielőbb gyakorlati alkalmazásba fordítsák. 

Újfajta kémiai folyamat 

„Olyan újfajta kémiai folyamatot gondoltunk el, amely egy egyszerű ioncsere-reakció segítségével aktiválja az egyébként lanyha reakciókészségű szilikátásványokat – fejtette ki Chen, a cikk vezető szerzője, aki e témán dolgozva szerezte meg doktori fokozatát Kanan laboratóriumában. – Nem is reméltük, hogy ennyire jól fog működni a dolog.” 

Számos szakértő egybehangzó véleménye szerint a további globális felmelegedés megakadályozásához egyszerre szükséges a fosszilis tüzelőanyagok felhasználásának drasztikus visszavágása és sok milliárd tonnányi légköri szén-dioxid végleges eltávolítása.

 Azonban a szén-dioxid kivonására alkalmas eddigi módszerek mindegyike költséges, energiaigényes, vagy mindkettő; ráadásul nagy léptékben egyiket sem próbálták még ki. Az egyik olyan technológia, amely az utóbbi időben sok figyelmet – és némi korai befektetői tőkét is – vonzott, a közvetlen levegőbefogás. Ennek során nagyteljesítményű ventilátorok együttesei a környezeti levegőt valami olyan kémiai vagy egyéb folyamaton hajtják át, melyben a szén-dioxid megkötődik. 

Yuxuan Chen és Matthew Kanan
Fotó: Stanford Universutí

„A mi eljárásunk kevesebb mint fele annyi energiát igényelne, mint a közvetlen levegőbefogó technológiák, és költségek szempontjából is kifejezetten versenyképesnek gondoljuk” – szögezte le Kanan, aki egyben a Doerr Fenntarthatósági Kar Precourt Energiakutató Intézetének vezető kutatója. 

A cementgyártás ihlette az eljárást 

Az új megközelítést a cementgyártás sok évszázados technikája ihlette. A cementgyártás úgy kezdődik, hogy a mészkövet egy kb. 1400 °C-ra hevített kemencében kalcium-oxiddá alakítják. Ezután a kalcium-oxidot homokkal keverik, így nyerik a cement egyik fő összetevőjét. 

A stanfordi csapat hasonló eljárást alkalmazott a laboratóriumi kemencében, csak éppen ők homok helyett egy másik, magnézium- és szilikátionokat tartalmazó ásvánnyal keverték össze a kalcium-oxidot. 

A hevítés hatására a két ásvány ionokat cserélt, minek eredményeképp magnézium-oxid és kalcium-szilikát termelődött. Márpedig ezek mindketten lúgos viselkedésű ásványok, amelyek gyorsan reagálnak a levegőben lévő savas jellegű szén-dioxiddal. 

„A folyamat sokszorozóként működik” – fejti ki Kanan. – „Összeeresztünk egy reaktív ásványt, a kalcium oxidot, és egy többé-kevésbé inert ásványt, a magnézium-szilikátot, és a végén két reaktív ásványt kapunk.” 

Annak gyors ellenőrzésére, hogy szobahőmérsékleten mennyire reaktívak a keletkezett ásványok, a kalcium-szilikátot és a magnézium-oxidot víznek és tiszta szén-dioxidnak tették ki. Két óra leforgása alatt mindkét anyag maradéktalanul karbonátokká alakult, bennük a csapdába ejtett szén-dioxiddal. 

Megkötés a levegőből 

De hogy reálisabb körülmények között is teszteljék az anyagokat, nedves kalcium-szilikátot és magnézium-oxidot közvetlenül sima levegőnek tettek ki, amelyben sokkal alacsonyabb a széndioxid-koncentráció, mint a palackból jövő tiszta szén-dioxidban. Ebben a kísérletben a szénmegkötési folyamat heteket-hónapokat vett igénybe, de még így is sokezerszer gyorsabb volt, mint a természetes mállás. 

A stanfordi kutatók azt állítják, hogy eljárásuk a laboratóriumi falakon kívül, ipari léptékben is alkalmas a szén-dioxid csapdába ejtésére. 

Olyasmit képzelünk el, hogy a magnézium-oxidot és a kalcium-szilikátot a nyílt termőföldeken szórjuk szét, ahol megköthetné a légköri szén-dioxidot 

– vázolja Kanan. – Az egyik izgalmas felhasználási mód, amivel már kísérletezünk, az lenne, hogy a termőföldbe keverjük ezeket az ásványokat, amelyek mállásuk során bikarbonátokká alakulnának, bemosódva átjutnának a talajon, s végül az óceánban ülepednének le véglegesen.” 

Kanan hozzátette: ennek az eljárásnak lenne egy ettől független további pozitív hozadéka is a gazdálkodók számára, akik gyakran kevernek kalcium-karbonátot a talajhoz a savasodás ellensúlyozására. „A mi ásványkeverékünk talajhoz keverése szükségtelenné tenné a meszezést, mivel a keverék mindkét összetevője lúgos – emlékeztetett a professzor. – Ezen felül a kalcium-szilikát mállása során a szilícium a növények számára felvehető formában kerül a talajba, ami javíthatja a terméshozamot és a növények ellenállóképességét. Az ideális forgatókönyv szerint a gazdák fizetnének ezekért az ásványokért, hiszen azok növelik a termelékenységet és javítják a talajt. Az pedig a bónusz lenne, hogy mindezek mellett szén-dioxidot kötnek meg.” 

Több millió tonna megkötő anyagra lenne szükség 

Kanan laboratóriumában hetente mintegy 15 kilogrammnyit állítottak elő az ásványkeverékből. Ahhoz azonban, hogy a globális hőmérsékletet érzékelhető módon befolyásolni képes széndioxid-mennyiséget kössünk meg a légkörből, évente több millió tonna magnézium-oxidot és kalcium-szilikátot kellene előállítanunk. 

A kutatók leszögezik: ugyanaz a fajta ipari kemence, amit a cementgyártásban használnak, tökéletesen alkalmas lenne a kívánt ásványok termelésére. 

Kiindulóanyagként a bőségesen rendelkezésre álló megnézium-szilikátokat, például a Kaliforniában, de a Balkánon és sok egyéb régióban közönségesen előforduló olivint vagy szerpentint lehetne használni. Ezek az ásványok amúgy is előállnak bányászati melléktermékként, meddőkőzetként. 

Cementgyár
Fotó: Hans Lucas via AFP/Mathieu Thomasset / Hans Lucas

„Évente több mint 400 millió tonnányi, a célnak megfelelő szilikát végzi a meddőhányókban világszerte, vagyis jelentős potenciális nyersanyagforrás áll rendelkezésre” – hangsúlyozta Chen. – „Becslések szerint a Föld teljes olivin- és szerpentintartalékai meghaladják a 100 ezer gigatonnát. Ezzel a mennyiséggel jóval több szén-dioxidot tudnánk kivonni a légkörből, mint amennyit az emberiség valaha is megtermelt.” (Egy gigatonna egymilliárd metrikus tonnának, vagyis kb. 1.1 milliárd tonnának felel meg.) 

Ha leszámítjuk azt a szén-dioxidot, amely a kemencék fűtéséhez elégetett természetes földgázból vagy bioüzemanyagból keletkezik, a kutatók kalkulációja szerint egy tonna reaktív ásvány nettó egy tonnányi szén-dioxidot tudna kivonni a légkörből. 

Tudósok becslései szerint a 2024-ben fosszilis tüzelőanyagok elégetése nyomán a légkörbe került szén-dioxid mennyisége meghaladta a 37 milliárd tonnát. 

Jonathan Fannel, a Stanford mérnöki karának tanárával együtt Kanan olyan kemencék kifejlesztésén is dolgozik, amelyek fosszilis tüzelőanyagok helyett árammal fűthetők. „A társadalomnak egyszer már sikerült kitalálnia, hogyan termeljen évi több milliárd tonna cementet, és a cementkemencék évtizedek óta üzemelnek – érvelt Kanan. – Ha mi most felhasználjuk az ez idő alatt felhalmozott tanulságokat és mérnöki megoldásokat, egyértelmű út vezet a laboratóriumi felfedezéstől a szén-dioxid gyakorlati léptékben történő csapdázása felé.”