تولید کود از هوا: انقلاب سبز برای کاهش آلودگی کربن

تولید آمونیاک با رویکردی نوآورانه

یک دستگاه پروتوتایپ جدید، رویکردی نوآورانه برای تولید آمونیاک – که یکی از اجزای کلیدی کودهاست – به نمایش گذاشته است. این روش می‌تواند صنعتی را متحول کند که مسئول حدود یک‌سوم از انتشار گازهای گلخانه‌ای در سطح جهانی است. هوای اطراف ما حاوی راه‌حلی قدرتمند برای پایدارتر کردن کشاورزی است.

محققان دانشگاه استنفورد و دانشگاه ملک فهد نفت و مواد معدنی در عربستان سعودی دستگاهی پروتوتایپ توسعه داده‌اند که می‌تواند آمونیاک – یکی از اجزای اصلی کود – را با استفاده از انرژی باد و کشیدن هوا از طریق یک مش تولید کند. اگر این روش به کمال برسد، ممکن است نیاز به روش قدیمی‌ای که آمونیاک را با ترکیب نیتروژن و هیدروژن در فشار و دمای بالا تولید می‌کند، از بین برود. این روش قدیمی ۲٪ از انرژی جهانی را مصرف کرده و ۱٪ از انتشار سالانه دی‌اکسید کربن را به دلیل وابستگی‌اش به گاز طبیعی ایجاد می‌کند.

عملکرد دستگاه جدید

این مطالعه که در تاریخ ۱۳ دسامبر در نشریه Science Advances منتشر شد، شامل اولین نمایش فناوری در محل – به جای آزمایشگاه – بود. محققان تصور می‌کنند که روزی این دستگاه را در سیستم‌های آبیاری ادغام کنند تا کشاورزان بتوانند کود را به‌طور مستقیم از هوا تولید کنند. ریچارد زار، نویسنده ارشد این مطالعه و استاد علوم طبیعی در مدرسه علوم انسانی و علوم دانشگاه استنفورد، گفت: “این پیشرفت به ما اجازه می‌دهد تا نیتروژن موجود در هوا را به‌طور پایدار به آمونیاک تبدیل کنیم. این یک گام مهم به سوی رویکردی غیرمتمرکز و دوستدار محیط زیست در کشاورزی است.”

یک جایگزین پاک‌تر

در آماده‌سازی برای طراحی دستگاه خود، محققان بررسی کردند که چگونه عوامل محیطی مختلف – مانند رطوبت، سرعت باد، سطح نمک و اسیدیته – بر تولید آمونیاک تأثیر می‌گذارند. آن‌ها همچنین بررسی کردند که اندازه قطرات آب، غلظت محلول و تماس آب با مواد غیرمحلول چگونه بر این فرآیند تأثیر می‌گذارد. در نهایت، آن‌ها بهترین ترکیب اکسید آهن و یک پلیمر اسیدی حاوی فلورین و گوگرد را آزمایش کردند تا شرایط ایده‌آل برای تولید آمونیاک را تعیین کرده و بفهمند که چگونه این مواد کاتالیستی با قطرات آب تعامل دارند.

تولید آمونیاک پاک و ارزان توسط تیم استنفورد

فرایند تیم استنفورد آمونیاک را به طور پاک و کم‌هزینه تولید می‌کند و از هوای اطراف برای استخراج نیتروژن و هیدروژن از بخار آب استفاده می‌کند. با عبور دادن هوا از یک مش پوشیده شده با کاتالیزورها که واکنش لازم را تسهیل می‌کند، محققان توانسته‌اند آمونیاکی با غلظت کافی تولید کنند تا به عنوان کود هیدروپونیک در گلخانه‌ها مورد استفاده قرار گیرد. برخلاف روش‌های سنتی، این تکنیک در دمای اتاق و فشار جوی استاندارد عمل می‌کند و نیازی به منبع ولتاژ خارجی برای اتصال به مش ندارد. کشاورزان می‌توانند این دستگاه قابل حمل را در محل خود راه‌اندازی کرده و از خرید و حمل کود از تولیدکنندگان بی‌نیاز شوند.

«این رویکرد به طور قابل توجهی ردپای کربن تولید آمونیاک را کاهش می‌دهد،» گفت نویسنده اصلی مطالعه، شیاووی سونگ، دانشمند تحقیقاتی شیمی در دانشگاه استنفورد. در آزمایش‌های آزمایشگاهی، این تیم پتانسیل بیشتری را با بازیافت آب از طریق یک سیستم پاشش نشان داد و توانست غلظت‌های آمونیاک کافی برای کوددهی به گیاهان در گلخانه را تنها پس از دو ساعت به دست آورد. با استفاده از یک فیلتر ساخته شده از ماده سنگی میکروپور، این روش می‌تواند آمونیاک کافی برای پشتیبانی از کاربردهای کشاورزی وسیع‌تر تولید کند.

آینده‌ای بدون سوخت‌های فسیلی

به گفته چانباشا بشیر، همکار نویسنده این مطالعه از دانشگاه نفت و مواد معدنی پادشاه فهد، این دستگاه دو تا سه سال دیگر آماده ورود به بازار خواهد بود. در این میان، محققان برنامه دارند تا از سیستم‌های مش بزرگ‌تر برای تولید آمونیاک بیشتر استفاده کنند. «جای زیادی برای توسعه این فناوری وجود دارد،» بشیر گفت.

اهمیت آمونیاک فراتر از کودهاست. به عنوان یک حامل انرژی پاک، می‌تواند انرژی تجدیدپذیر را به طور مؤثرتری نسبت به گاز هیدروژن ذخیره و حمل کند، زیرا چگالی انرژی بالاتری دارد. این نوآوری آمونیاک را به عنوان یک کلید در کاهش کربن‌زدایی صنایع مانند حمل و نقل و تولید برق قرار می‌دهد. «آمونیاک سبز نمایانگر مرز جدیدی در پایداری است،» زار گفت. «این روش، اگر بتواند به صورت اقتصادی مقیاس‌پذیر شود، می‌تواند وابستگی ما به سوخت‌های فسیلی را در چندین بخش به طور چشمگیری کاهش دهد.»

این مطالعه توسط اداره تحقیقات علمی نیروی هوایی ایالات متحده و دانشگاه نفت و مواد معدنی پادشاه فهد تأمین مالی شده است.