دی‌اکسیدکربن (CO₂) به‌عنوان اصلی‌ترین گاز گلخانه‌ای، نقشی کلیدی در گرمایش زمین و تغییرات اقلیمی ایفا می‌کند. افزایش انتشار این گاز در اثر فعالیت‌های انسانی، نیاز به فناوری‌های نوآورانه برای کاهش آن را بیش از پیش ضروری کرده است.
پژوهشگران دانشگاه هاروارد با توسعه روشی مبتنی بر فتوبیس‌ها (Photobases) که از نور خورشید برای جذب و آزادسازی CO₂ استفاده می‌کند، راهکاری پایدار و کم‌هزینه ارائه کرده‌اند. این مقاله از یونیکس مگ به بررسی این فناوری، مزایا، و چشم‌انداز آن در مبارزه با تغییرات اقلیمی می‌پردازد.
راهکار نوین هاروارد برای کاهش کربن دی‌اکسیدکربن
دانشگاه هاروارد، پیشگام در حوزه شیمی سبز، فناوری نوینی را معرفی کرده که از نور خورشید برای جذب دی‌اکسیدکربن بهره می‌برد. این روش با استفاده از مولکول‌های حساس به نور، موسوم به فتوبیس‌ها، امکان جذب و آزادسازی CO₂ را به‌صورت برگشت‌پذیر فراهم می‌کند.
برخلاف فناوری‌های سنتی که به انرژی حرارتی یا فشار بالا وابسته‌اند، این روش تنها به نور خورشید نیاز دارد، که آن را به گزینه‌ای پایدار و اقتصادی تبدیل می‌کند.
نتایج این پژوهش، که در مجلات علمی معتبری مانند Nature منتشر شده، نشان‌دهنده پتانسیل بالای این فناوری برای تغییر رویکردهای جهانی در کاهش کربن است.
فتوبیس‌ها: کلید مبارزه با تغییرات اقلیمی
فتوبیس‌ها (Photobases) مولکول‌های شیمیایی خاصی هستند که به دلیل ویژگی‌های منحصربه‌فردشان، پتانسیل بالایی برای تبدیل شدن به ابزاری کلیدی در مبارزه با تغییرات اقلیمی دارند.
این مولکول‌ها در حالت عادی، یعنی در شرایط بدون نور یا تاریکی، خنثی هستند و واکنشی با دی‌اکسیدکربن (CO₂) نشان نمی‌دهند. اما زمانی که در معرض نور خورشید قرار می‌گیرند، ساختار شیمیایی آن‌ها تغییر می‌کند و به حالت قلیایی فعال تبدیل می‌شوند. این تغییر حالت به آن‌ها امکان می‌دهد تا CO₂ موجود در هوا را به‌طور مؤثر جذب کنند و به‌صورت یک ترکیب شیمیایی پایدار نگه دارند.
نکته کلیدی در عملکرد فتوبیس‌ها، برگشت‌پذیری این فرآیند است. هنگامی که نور خورشید قطع می‌شود (مثلاً در شب یا در شرایط تاریکی مصنوعی)، این مولکول‌ها به حالت اولیه خود بازمی‌گردند و CO₂ جذب‌شده را آزاد می‌کنند. این ویژگی، فتوبیس‌ها را به یک سیستم “کلید نوری” تبدیل می‌کند که می‌تواند به‌صورت چرخه‌ای و بدون نیاز به انرژی خارجی اضافی (مانند حرارت یا فشار) کار کند.
این فناوری، که توسط تیمی به رهبری ریچارد وای. لیو، دانشیار شیمی در هاروارد، توسعه یافته، از ترکیبات آلی خاصی استفاده می‌کند که برای واکنش با نور خورشید بهینه‌سازی شده‌اند. تحقیقات منتشرشده در مجله Nature Chemistry نشان می‌دهد که فتوبیس‌ها می‌توانند با کارایی بالا و در دماهای محیطی عمل کنند، که این موضوع آن‌ها را از روش‌های سنتی جذب کربن متمایز می‌کند.
علاوه بر این، فتوبیس‌ها قابلیت تنظیم برای شرایط مختلف را دارند. برای مثال، می‌توان آن‌ها را طوری طراحی کرد که در طول‌موج‌های خاصی از نور خورشید (مانند نور مرئی یا فرابنفش) فعال شوند، که این انعطاف‌پذیری امکان استفاده در محیط‌های جغرافیایی و اقلیمی متنوع را فراهم می‌کند.
این ویژگی، همراه با پایداری شیمیایی بالای فتوبیس‌ها، که امکان استفاده مکرر آن‌ها را بدون کاهش کارایی فراهم می‌کند، این فناوری را به گزینه‌ای امیدوارکننده برای کاربردهای گسترده تبدیل کرده است.
در مقایسه با سایر روش‌های جذب کربن، فتوبیس‌ها نیاز به زیرساخت‌های پیچیده یا مواد شیمیایی گران‌قیمت را به حداقل می‌رسانند. این موضوع، همراه با استفاده از نور خورشید به‌عنوان منبعی تجدیدپذیر و رایگان، فتوبیس‌ها را به ابزاری کارآمد و پایدار برای کاهش گازهای گلخانه‌ای تبدیل می‌کند.
انقلاب سبز در فناوری جذب کربن‌های آلوده
فناوری فتوبیس‌ها بخشی از جنبش گسترده‌تر “شیمی سبز” است که هدف آن کاهش اثرات زیست‌محیطی فناوری‌ها و فرآیندهای صنعتی است. این روش با حذف نیاز به منابع انرژی فسیلی برای فرآیند جذب و آزادسازی CO₂، گامی بزرگ در جهت پایداری برمی‌دارد.
بر اساس مطالعه منتشرشده در Journal of the American Chemical Society، این فناوری می‌تواند در مقایسه با روش‌های سنتی مانند جذب کربن مبتنی بر آمین‌ها، تا 50 درصد مصرف انرژی را کاهش دهد. این کاهش چشمگیر، همراه با قابلیت استفاده در مقیاس‌های مختلف، از پروژه‌های محلی تا تأسیسات صنعتی، این فناوری را به گزینه‌ای جذاب برای آینده تبدیل می‌کند.
دی‌اکسیدکربن و چالش تغییرات اقلیمی
دی‌اکسیدکربن (CO₂) به‌عنوان اصلی‌ترین گاز گلخانه‌ای ناشی از فعالیت‌های انسانی، مسئول حدود 60 تا 70 درصد از اثر گلخانه‌ای است که به گرمایش زمین منجر می‌شود. از زمان انقلاب صنعتی در قرن هجدهم، غلظت CO₂ در جو زمین از حدود 280 بخش در میلیون (ppm) به بیش از 420 ppm در سال 2025 افزایش یافته است، که این افزایش عمدتاً به دلیل سوزاندن سوخت‌های فسیلی، جنگل‌زدایی، و فعالیت‌های صنعتی است. این رشد بی‌سابقه، باعث افزایش میانگین دمای جهانی به میزان حدود 1.1 تا 1.5 درجه سانتی‌گراد نسبت به دوران پیش از صنعتی شدن شده است.
افزایش CO₂ در جو پیامدهای گسترده‌ای برای اقلیم زمین دارد. این گاز با به دام انداختن گرما در جو، به تغییرات آب‌وهوایی مانند ذوب یخ‌های قطبی، بالا آمدن سطح دریاها، و افزایش دفعات و شدت رویدادهای آب‌وهوایی شدید (مانند طوفان‌ها، موج‌های گرما، و خشکسالی‌ها) منجر شده است.
گزارش‌های هیئت بین‌دولتی تغییر اقلیم (IPCC) نشان می‌دهد که بدون کاهش فوری و قابل‌توجه انتشار گازهای گلخانه‌ای، جهان ممکن است تا پایان قرن بیست‌ویکم با افزایش دمایی بین 2.5 تا 4 درجه سانتی‌گراد مواجه شود، که عواقب فاجعه‌باری برای اکوسیستم‌ها، اقتصاد، و جوامع انسانی خواهد داشت.
تلاش‌های جهانی برای کاهش CO₂ شامل رویکردهای مختلفی از جمله افزایش استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر، بهبود بهره‌وری انرژی، و کاشت درختان برای جذب کربن است. بااین‌حال، این روش‌ها به‌تنهایی نمی‌توانند حجم عظیم CO₂ موجود در جو را مدیریت کنند.
فناوری‌های جذب مستقیم هوا (DAC) به‌عنوان راهکاری مکمل، با هدف حذف CO₂ از جو و ذخیره‌سازی یا استفاده مجدد از آن، مورد توجه قرار گرفته‌اند. اما چالش اصلی این فناوری‌ها، هزینه بالا و مصرف انرژی زیاد آن‌هاست. به همین دلیل، توسعه روش‌های نوینی مانند فناوری فتوبیس‌ها، که وابستگی به انرژی فسیلی را کاهش می‌دهد، برای دستیابی به اهداف توافق‌نامه پاریس (محدود کردن گرمایش جهانی به 1.5 درجه سانتی‌گراد) حیاتی است.
علاوه بر این، CO₂ نه‌تنها در گرمایش زمین نقش دارد، بلکه بر تعادل شیمیایی اقیانوس‌ها نیز تأثیر می‌گذارد. افزایش جذب CO₂ توسط اقیانوس‌ها باعث اسیدی شدن آب‌ها شده و به اکوسیستم‌های دریایی، از جمله صخره‌های مرجانی و گونه‌های دریایی، آسیب می‌رساند. این مسائل، نیاز به راهکارهای نوآورانه و پایدار برای مدیریت دی‌اکسیدکربن را بیش از پیش برجسته می‌کند.
تفاوت فناوری جدید جذب دی‌اکسیدکربن با روش‌های سنتی
روش‌های سنتی جذب مستقیم هوا معمولاً از جاذب‌های شیمیایی مانند آمین‌ها استفاده می‌کنند که برای آزادسازی CO₂ نیاز به دماهای بالا (تا 120 درجه سانتی‌گراد) و انرژی زیادی دارند. این فرآیند نه‌تنها پرهزینه است، بلکه اغلب به سوخت‌های فسیلی وابسته است که خود منجر به تولید CO₂ بیشتر می‌شود.
در مقابل، فناوری فتوبیس‌ها نیازی به حرارت یا فشار بالا ندارد. نور خورشید، که منبعی رایگان و تجدیدپذیر است، تمام انرژی موردنیاز برای فرآیند جذب و آزادسازی را تأمین می‌کند. این ویژگی، همراه با قابلیت تکرارپذیری فرآیند، این فناوری را از نظر اقتصادی و زیست‌محیطی به‌صرفه‌تر می‌کند.
مزایای استفاده از نور خورشید در جذب کربن
استفاده از نور خورشید در این فناوری مزایای متعددی دارد:
| مزیت | توضیح | اثر بر محیط‌زیست/اقتصاد |
|---|---|---|
| کاهش مصرف انرژی | حذف نیاز به حرارت یا فشار بالا و کاهش چشمگیر هزینه‌های عملیاتی | صرفه‌جویی اقتصادی و افزایش بهره‌وری انرژی |
| پایداری زیست‌محیطی | استفاده از انرژی خورشیدی به جای سوخت‌های فسیلی | کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای و بهبود کیفیت هوا |
| انعطاف‌پذیری مقیاس | قابلیت اجرا در واحدهای کوچک محلی یا تأسیسات صنعتی بزرگ | افزایش دسترسی‌پذیری و امکان توسعه جهانی |
| قابلیت بازیافت | فتوبیس‌ها بارها بدون افت کارایی قابل استفاده‌اند | کاهش پسماند و افزایش ماندگاری فناوری |
| پتانسیل مقابله با تغییرات اقلیمی | ترکیب تمام مزایا در یک سیستم نوین | کمک به کاهش اثرات گرمایش زمین و سازگاری پایدار |
چشم‌انداز صنعتی‌سازی فناوری فتوبیس
صنعتی‌سازی فناوری فتوبیس‌ها می‌تواند نقطه عطفی در مبارزه با تغییرات اقلیمی باشد، اما این فرآیند با چالش‌ها و فرصت‌های متعددی همراه است. در حال حاضر، این فناوری در مرحله آزمایشگاهی قرار دارد و نتایج اولیه، که در مجلات علمی معتبر مانند Journal of the American Chemical Society منتشر شده‌اند، نشان‌دهنده کارایی بالای آن در جذب و آزادسازی CO₂ هستند. بااین‌حال، برای انتقال این فناوری از آزمایشگاه به کاربردهای صنعتی، چندین گام کلیدی باید برداشته شود.
چالش‌های صنعتی‌سازی
- مقیاس‌پذیری: یکی از بزرگ‌ترین چالش‌ها، مقیاس‌پذیر کردن این فناوری برای استفاده در تأسیسات بزرگ است. در حال حاضر، آزمایش‌ها در مقیاس کوچک انجام شده‌اند، و برای کاربردهای صنعتی، باید سیستم‌هایی طراحی شوند که بتوانند حجم عظیمی از CO₂ را به‌صورت کارآمد پردازش کنند.
- بهینه‌سازی مواد: فتوبیس‌ها باید از نظر شیمیایی و اقتصادی بهینه شوند تا هزینه تولید آن‌ها کاهش یابد. این شامل انتخاب مواد اولیه ارزان‌تر و افزایش دوام مولکول‌ها برای استفاده طولانی‌مدت است.
- یکپارچگی با زیرساخت‌ها: این فناوری باید با سیستم‌های موجود، مانند تأسیسات ذخیره‌سازی کربن یا کارخانه‌های تبدیل CO₂ به سوخت‌های مصنوعی، هماهنگ شود. این موضوع نیازمند طراحی سیستم‌های یکپارچه و کارآمد است.
- مقررات و استانداردها: برای استفاده گسترده، باید استانداردهای زیست‌محیطی و ایمنی برای این فناوری تدوین شود، و تأییدیه‌های لازم از نهادهای بین‌المللی دریافت گردد.
بیشتر بخوانید: تاب‌آوری انسان در برابر ضعف میدان مغناطیسی زمین
فرصت‌ها و چشم‌انداز فناوری فتوبیس
با وجود این چالش‌ها، فرصت‌های متعددی برای صنعتی‌سازی این فناوری وجود دارد. حمایت مالی از نهادهایی مانند بنیاد ملی علوم (NSF) و همکاری با پژوهشگران برجسته‌ای مانند دانیل نوچرا، که در حوزه انرژی‌های تجدیدپذیر شهرت جهانی دارد، مسیر را برای پیشرفت سریع‌تر هموار کرده است.
بر اساس پیش‌بینی‌ها، پروژه‌های آزمایشی صنعتی می‌توانند تا اواخر دهه 2020 (حدود سال 2030) آغاز شوند. این پروژه‌ها احتمالاً در مناطقی با تابش خورشیدی بالا، مانند خاورمیانه، استرالیا، یا جنوب ایالات متحده، اجرا خواهند شد، جایی که نور خورشید به‌وفور در دسترس است.
در صورت موفقیت این پروژه‌ها، فناوری فتوبیس‌ها می‌تواند تا سال 2040 به بخشی از زیرساخت‌های جهانی کاهش کربن تبدیل شود، به‌ویژه در صنایعی که انتشار CO₂ بالایی دارند، مانند تولید سیمان، فولاد، و انرژی.
کاربردهای بالقوه فناوری فتوبیس
ذخیره‌سازی کربن: CO₂ جذب‌شده می‌تواند در مخازن زیرزمینی ذخیره شود یا برای تولید مواد معدنی پایدار استفاده گردد.
تولید سوخت‌های مصنوعی: CO₂ آزادشده می‌تواند به‌عنوان ماده اولیه برای تولید سوخت‌های مصنوعی یا مواد شیمیایی با ارزش استفاده شود، که به اقتصاد چرخشی کمک می‌کند.
کاربردهای محلی: این فناوری می‌تواند در مقیاس‌های کوچک‌تر، مانند واحدهای جذب کربن در مناطق شهری یا صنعتی، پیاده‌سازی شود.
تأثیرات جهانی فناوری فتوبیس
صنعتی‌سازی این فناوری می‌تواند به دستیابی به اهداف جهانی کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای، به‌ویژه هدف انتشار صفر خالص تا سال 2050، کمک کند. با توجه به اینکه فناوری فتوبیس‌ها وابستگی به انرژی فسیلی را به حداقل می‌رساند و از منبعی تجدیدپذیر مانند نور خورشید استفاده می‌کند، می‌تواند به‌عنوان یک راهکار پایدار و مقرون‌به‌صرفه در سطح جهانی مورد توجه قرار گیرد.
علاوه بر این، این فناوری می‌تواند به کاهش نابرابری‌های اقتصادی در مبارزه با تغییرات اقلیمی کمک کند، زیرا کشورهای در حال توسعه با دسترسی به نور خورشید فراوان می‌توانند از آن بهره‌مند شوند.
نتیجه‌گیری
فناوری مبتنی بر فتوبیس‌ها، که توسط پژوهشگران هاروارد توسعه یافته، نمونه‌ای برجسته از چگونگی استفاده از علم و منابع طبیعی برای حل چالش‌های جهانی است. با بهره‌گیری از نور خورشید، این روش نه‌تنها مصرف انرژی را کاهش می‌دهد، بلکه راهکاری پایدار و مقیاس‌پذیر برای کاهش دی‌اکسیدکربن ارائه می‌دهد.
در جهانی که هر روز با اثرات تغییرات اقلیمی مواجه است، نوآوری‌هایی مانند این می‌توانند امید به آینده‌ای پاک‌تر و زیست‌پذیرتر را زنده نگه دارند. ادامه تحقیقات و سرمایه‌گذاری در این حوزه می‌تواند این فناوری را از آزمایشگاه به خط مقدم مبارزه با تغییرات اقلیمی برساند.
سوالات متداول درباره‌ی روش نوین هاروارد برای کاهش دی‌اکسیدکربن
روش نوین هاروارد برای کاهش دی‌اکسیدکربن چگونه کار می‌کند؟
این فناوری با استفاده از نور خورشید، دی‌اکسیدکربن را به ترکیبات مفید و انرژی پاک تبدیل می‌کند.
تفاوت این روش با فناوری‌های قبلی جذب کربن چیست؟
روش هاروارد مقرون‌به‌صرفه‌تر بوده و علاوه بر ذخیره کربن، امکان تولید سوخت و مواد کاربردی را فراهم می‌سازد.
چه مزایایی برای محیط زیست دارد؟
این فناوری می‌تواند همزمان باعث کاهش گازهای گلخانه‌ای و تولید انرژی پاک شود و نقش مهمی در مقابله با تغییرات اقلیمی داشته باشد.
آیا این فناوری می‌تواند جایگزین سوخت‌های فسیلی شود؟
در بلندمدت، این روش پتانسیل بالایی برای کاهش وابستگی به سوخت‌های فسیلی و حرکت به سمت انرژی پایدار دارد.
چه کسانی از این فناوری بیشترین سود را می‌برند؟
صنایع تولید انرژی، حمل‌ونقل و کشورهایی که با آلودگی شدید کربنی مواجه هستند، بیشترین بهره را خواهند برد.
