Cum se pot produce materiale plastice reciclabile din CO2 pentru a încetini schimbările climatice

Este dimineață și vă treziți pe o saltea confortabilă din spumă fabricată parțial din gaze cu efect de seră. Vă puneți un tricou și adidași care conțin dioxid de carbon extras din emisiile fabricilor. După o alergare bună, te oprești pentru o ceașcă de cafea și, fără vină, arunci paharul de plastic la gunoi, încrezător că se va biodegrada complet în materiale organice inofensive. Acasă, stoarceți șamponul dintr-o sticlă care a trăit mai multe vieți, apoi vă strecurați într-o rochie confecționată din emisii de la coșurile de fum. Te îndrepți spre serviciu cu un zâmbet, știind că rutina ta de dimineață a făcut ca atmosfera Pământului să fie un pic mai curată cu carbon.

Sună ca un vis? Nu prea. Aceste produse sunt deja vândute în întreaga lume. Iar altele sunt în curs de dezvoltare. Ele fac parte dintr-un efort tot mai mare al mediului academic și al industriei de a reduce daunele cauzate de secole de activitate umană care a trimis CO2 și a altor gaze care captează căldura în atmosferă (SN: 3/12/22, p. 16).

Necesitatea de a acționa este urgentă. În raportul său din 2022, Grupul interguvernamental al Națiunilor Unite privind schimbările climatice, sau IPCC, a declarat că temperaturile în creștere au provocat deja daune ireversibile planetei și au crescut numărul de decese și boli umane (SN: 5/7/22 & 5/21/22, p. 8). Între timp, cantitatea de CO2 emisă continuă să crească. Administrația americană pentru informații în domeniul energiei a prezis anul trecut că, în cazul în care politica actuală și tendințele de creștere continuă, emisiile globale anuale de CO2 ar putea crește de la aproximativ 34 de miliarde de tone metrice în 2020 la aproape 43 de miliarde până în 2050.

Captarea și stocarea carbonului, sau CSC, este o strategie de atenuare a schimbărilor climatice, care a fost demult menționată de IPCC ca având un potențial „considerabil”. O tehnologie care există încă din anii 1970, CSC captează CO2 de la coșurile de fum sau din aerul înconjurător și îl pompează în subteran pentru sechestrare permanentă. În prezent, în întreaga lume funcționează 27 de instalații CSC – 12 în Statele Unite – care stochează aproximativ 36 de milioane de tone de carbon pe an, potrivit Global CCS Institute. Legea privind investițiile în infrastructură și locurile de muncă din 2021 include o finanțare de 3,5 miliarde de dolari pentru alte patru instalații de captare directă din SUA.

Dar, mai degrabă decât să-l stocheze, carbonul capturat ar putea fi folosit pentru a face lucruri. În acest an, pentru prima dată, IPCC a adăugat captarea și utilizarea carbonului, sau CCU, la lista sa de opțiuni pentru reducerea carbonului atmosferic. CCU captează CO2 și îl încorporează în produse care conțin carbon, cum ar fi cimentul, combustibilul pentru avioane și materiile prime pentru fabricarea materialelor plastice. Aflată încă în stadii incipiente de dezvoltare și comercializare, CCU ar putea reduce emisiile anuale de gaze cu efect de seră cu 20 de miliarde de tone în 2050 – mai mult de jumătate din emisiile globale actuale ale lumii, potrivit estimărilor IPCC.

O astfel de recunoaștere a fost o mare victorie pentru o mișcare care s-a luptat să iasă din umbra verișoarei sale mai bine stabilite, CCS, spune chimistul și expertul global CCU Peter Styring de la Universitatea Sheffield din Anglia. Multe companii legate de CCU apar și colaborează între ele și cu guvernele din întreaga lume, adaugă el.

Potențialul CCU este „enorm”, atât din punct de vedere al volumului, cât și al potențialului monetar, a declarat inginerul mecanic Volker Sick la o conferință CCU desfășurată la Bruxelles în aprilie. Sick, de la Universitatea din Michigan din Ann Arbor, conduce proiectul Global CO2 Inițiativa CCU, care promovează CCU ca soluție climatică principală. „Nu vorbim despre ceva care este frumos de făcut, dar care nu mișcă acul”, a adăugat el. „Mișcă acul în multe, multe aspecte”.

Paradoxul materialelor plastice

Utilizarea dioxidului de carbon în produse nu este nouă. CO2 este utilizat pentru a face sifonul mai spumos, pentru a menține alimentele înghețate (ca gheață carbonică) și pentru a transforma amoniacul în uree pentru îngrășăminte. Ceea ce este nou este accentul pus pe fabricarea de produse cu CO2 ca strategie de încetinire a schimbărilor climatice. Conform Lux Research, o firmă de cercetare de piață cu sediul în Boston, piața actuală a CCU, estimată la 2 miliarde de dolari, ar putea crește la 550 de miliarde de dolari până în 2040. O mare parte din această piață este determinată de adăugarea de CO2 la ciment – care poate îmbunătăți proprietățile acestuia, precum și reduce carbonul atmosferic – și la combustibilul pentru avioane, care poate reduce amprenta mare de carbon a industriei. CO2-la-plastice este o piață de nișă în prezent, dar acest domeniu își propune să lupte împotriva a două crize în același timp: schimbările climatice și poluarea cu plastic.

Materialele plastice sunt fabricate din combustibili fosili, un amestec de hidrocarburi format din rămășițele unor organisme antice. Majoritatea materialelor plastice sunt produse prin rafinarea țițeiului, care este apoi descompus în molecule mai mici printr-un proces numit cracare. Aceste molecule mai mici, cunoscute sub numele de monomeri, sunt elementele constitutive ale polimerilor. Monomeri precum etilena, propilena, stirenul și alții sunt legați între ei pentru a forma materiale plastice precum polietilena (sticle de detergent, jucării, țevi rigide), polipropilena (sticle de apă, bagaje, piese auto) și polistirenul (tacâmuri de plastic, carcase de CD-uri, polistiren).

Dar fabricarea materialelor plastice din combustibili fosili este o catastrofă de carbon. Fiecare etapă din ciclul de viață al materialelor plastice – extracție, transport, producție și eliminare – emite cantități masive de gaze cu efect de seră, în principal CO2, potrivit Centrului pentru dreptul internațional al mediului, o firmă de avocatură non-profit cu sediul la Geneva și Washington, D.C. Numai aceste emisii – peste 850 de milioane de tone de gaze cu efect de seră în 2019 – sunt suficiente pentru a amenința obiectivele climatice globale.

Iar cifrele sunt pe cale să devină mult mai rele. Un raport din 2018 al Agenției Internaționale Interguvernamentale pentru Energie, cu sediul la Paris, a estimat că cererea globală de materiale plastice va crește de la aproximativ 400 de milioane de tone în 2020 la aproape 600 de milioane până în 2050. Se preconizează că cererea viitoare va fi concentrată în țările în curs de dezvoltare și va depăși cu mult eforturile globale de reciclare.

Materialele plastice reprezintă o criză gravă pentru mediu, de la utilizarea combustibililor fosili până la acumularea lor în depozitele de deșeuri și oceane (SN: 1/16/21, p. 4). Dar suntem o societate dependentă de plastic și de tot ceea ce ne oferă acesta – telefoane mobile, computere, Crocs confortabile. Există o modalitate de a avea și prăjitura (învelită în plastic) și de a o mânca și pe ea?

Da, spune Sick. Mai întâi, susține el, acoperiți puțurile de petrol. Apoi, să se facă materiale plastice din carbonul de la suprafață. În prezent, există produse fabricate din 20 până la peste 40 la sută CO2. În cele din urmă, spune el, construiți o economie circulară, una care reduce utilizarea resurselor, reutilizează produsele, apoi le reciclează în alte produse noi.

„Nu numai că putem elimina carbonul fosil ca sursă, astfel încât să nu adăugăm la bugetul de carbon de la suprafață, dar în acest proces putem, de asemenea, să regândim modul în care producem materiale plastice”, spune Sick. El sugerează ca acestea să fie proiectate în mod special „pentru a trăi foarte, foarte mult timp, astfel încât să nu trebuiască să fie înlocuite… sau să se descompună într-un mod benign”.

Dar crearea de materiale plastice din nimic nu este ușoară. CO2 trebuie să fie extrase, din atmosferă sau din coșurile de fum, de exemplu, cu ajutorul unor echipamente specializate. Adesea trebuie să fie comprimat în formă lichidă și transportat, în general prin conducte. În cele din urmă, pentru a îndeplini obiectivul general de reducere a cantității de carbon din aer, reacția chimică care transformă CO2 în elementele constitutive ale materialelor plastice trebuie să se desfășoare cu cât mai puțină energie suplimentară posibil. Menținerea unui consum redus de energie reprezintă o provocare specială atunci când este vorba de molecula de dioxid de carbon.

O legătură greu de rupt

Există un motiv pentru care dioxidul de carbon este un gaz cu efect de seră atât de puternic. Este incredibil de stabil și poate rămâne în atmosferă între 300 și 1.000 de ani. Această stabilitate face ca CO2 greu de descompus și de adăugat la alte substanțe chimice. De obicei, este nevoie de multă energie pentru reacție.

„Aceasta este problema energetică fundamentală a CO2,” spune chimistul Ian Tonks de la Universitatea din Minnesota din Minneapolis. „Energia este necesară pentru a fixa CO2 la materiale plastice. Încercăm să găsim această energie în moduri creative.”

Catalizatorii oferă un posibil răspuns. Aceste substanțe pot crește rata unei reacții chimice și, astfel, pot reduce nevoia de energie. Oamenii de știință din domeniul CO2-în domeniul materialelor plastice au petrecut mai mult de un deceniu căutând catalizatori care să poată funcționa la temperaturi și presiuni apropiate de temperatura și presiunea camerei și să poată obține CO2 pentru a forma o nouă identitate chimică. Aceste eforturi se împart în două mari categorii: conversie chimică și biologică.

Primele încercări

Primele experimente s-au axat pe adăugarea de CO2 la monomeri foarte reactivi, cum ar fi epoxizii, pentru a facilita reacția. Epoxizii sunt inele cu trei membri compuse dintr-un atom de oxigen și doi atomi de carbon. Asemenea unui arc sub tensiune, acestea se pot deschide cu ușurință. La începutul anilor 2000, chimistul industrial Christoph Gürtler și chimistul Walter Leitner de la Universitatea din Aachen, Germania, au descoperit un catalizator de zinc care le-a permis să deschidă inelul epoxidic al oxidului de polipropilenă și să îl combine cu CO2. În urma reacției, CO2 a fost unit permanent cu molecula de polipropilenă și nu mai era sub formă de gaz – ceea ce este valabil pentru toate emisiile de CO2-reacții plastice. Lucrările lor au dus la realizarea uneia dintre primele instalații comerciale de tratare a CO2 produse – o spumă poliuretanică ce conține 20 la sută CO2. În prezent, compania germană Covestro, unde lucrează acum Gürtler, vinde anual 5.000 de tone de produs în saltele, interioare de mașini, izolații pentru clădiri și podele sportive.

Cercetări mai recente s-au concentrat pe alți monomeri pentru a extinde varietatea de produse de CO2-pe bază de materiale plastice. Butadiena este un monomer de hidrocarburi care poate fi utilizat pentru a produce poliester pentru îmbrăcăminte, covoare, adezivi și alte produse.

În 2020, chimistul James Eagan de la Universitatea din Akron, Ohio, a amestecat butadienă și CO2 cu o serie de catalizatori dezvoltați la Universitatea Stanford. Eagan a sperat să creeze un poliester care să fie carbon negativ, ceea ce înseamnă că are un efect net de eliminare a CO2 din atmosferă, în loc să o adauge. Când a analizat conținutul unei fiole, a descoperit că a creat ceva și mai bun: un poliester fabricat cu 29% CO2 care se degradează în apă cu pH ridicat în materiale organice.

două mâini înmănușate găuresc un material poliesteric degradabil
Chimistul James Eagan și colegii săi au creat un poliester degradabil fabricat parțial cu deșeuri de CO2.UNIV. DIN AKRON

„Chimia este ca și cum ai găti”, spune Eagan. „Am luat chipsuri de ciocolată, făină, ouă, unt, le-am amestecat și, în loc să obținem fursecuri, am deschis cuptorul și am găsit o plăcintă de pui.”

Invenția lui Eagan are aplicații imediate în industria reciclării, unde mașinile se pot lipi adesea de adezivi nedegradabili folosiți în ambalaje, etichete de sticle de suc și alte produse. Un adeziv care se descompune cu ușurință ar putea îmbunătăți eficiența instalațiilor de reciclare.

Tonks, descris de Eagan ca fiind un concurent prietenos, a dus procesul brevetat de Eagan cu un pas mai departe. Supunând produsul lui Eagan la încă o reacție, Tonks a făcut ca polimerul să fie complet degradabil și să redevină reutilizabil în ceea ce privește emisiile de CO2 – un obiectiv al economiei circulare a carbonului. Tonks a creat în acest an un start-up numit LoopCO2 pentru a produce o varietate de materiale plastice biodegradabile.

Ajutor microbian

Cercetătorii au folosit, de asemenea, microbii pentru a ajuta la transformarea dioxidului de carbon în materiale utile, inclusiv în țesături de îmbrăcăminte. Unii dintre cei mai vechi microbi care trăiesc pe planetă au apărut într-o perioadă în care atmosfera Pământului era bogată în dioxid de carbon. Cunoscuți sub numele de acetogeni și metanogeni, microbii au dezvoltat căi metabolice simple care utilizează catalizatori enzimatici pentru a transforma CO2 și monoxidul de carbon în molecule organice. În atmosferă, CO va reacționa cu oxigenul pentru a forma CO2. În ultimul deceniu, cercetătorii au studiat potențialul microbilor de a elimina aceste gaze din atmosferă și de a le transforma în produse utile.

LanzaTech, cu sediul în Skokie, Illinois, folosește bacteria acetogenă Clostridium autoethanogenum pentru a metaboliza CO2și emisiile de CO într-o varietate de produse chimice industriale, inclusiv etanolul. Anul trecut, compania de îmbrăcăminte Zara a început să utilizeze țesătura din poliester de la LanzaTech pentru o linie de rochii.

Etanolul utilizat pentru a crea aceste produse provine de la cele două instalații comerciale ale LanzaTech din China, prima dintre ele transformând deșeurile de CO, o emisie principală a uzinelor siderurgice, în etanol. Etanolul trece prin alte două etape pentru a deveni poliester. LanzaTech a încheiat parteneriate cu oțelării de lângă Beijing și din nordul centrului Chinei, alimentând cu monoxid de carbon bioreactorul umplut cu microbi al LanzaTech.

Producția de oțel emite aproape două tone de CO2 pentru fiecare tonă de oțel produsă. În schimb, un studiu de evaluare a ciclului de viață a constatat că procesul de producție a etanolului de la LanzaTech a redus emisiile de gaze cu efect de seră cu aproximativ 80 % în comparație cu etanolul produs din combustibili fosili.

În februarie, cercetătorii de la LanzaTech, de la Universitatea Northwestern din Evanston, Illinois, și alții au raportat în Nature Biotechnology că au modificat genetic Clostridium pentru a produce acetonă și izopropanol, alte două substanțe chimice industriale pe bază de combustibili fosili. Directorul executiv al companiei, Jennifer Holmgren, spune că singurul produs rezidual este reprezentat de bacteriile moarte, care pot fi folosite ca compost sau hrană pentru animale.

Alți cercetători sar peste microbii vii și folosesc doar catalizatorii lor. Cu mai mult de un deceniu în urmă, chimistul Charles Dismukes de la Universitatea Rutgers din Piscataway, N.J., a început să studieze acetogenii și metanogenii ca modalitate de utilizare a carbonului atmosferic. El a fost intrigat de capacitatea lor de a elibera energie atunci când produc blocuri de carbon din CO2, o reacție care necesită de obicei energie. El și echipa sa s-au concentrat asupra catalizatorilor de fosfură de nichel ai bacteriei, care sunt responsabili de reacția de eliberare a energiei din carbon.

Dismukes și colegii săi au dezvoltat șase electrocatalizatori care sunt capabili să producă monomeri la temperatura și presiunea camerei folosind doar CO2, apă și electricitate. Calea de eliberare de energie a catalizatorilor de fosfură de nichel „scade tensiunea necesară pentru a rula reacția, ceea ce reduce consumul de energie al procesului și îmbunătățește amprenta de carbon”, spune Karin Calvinho, fostă studentă a lui Dismukes, care este acum director tehnic la RenewCO2, echipa de start-up a lui Dismukes formată în 2018.

RenewCO2 intenționează să își vândă monomerii, inclusiv monoetilenglicolul, companiilor care doresc să își reducă amprenta de carbon. Grupul a demonstrat că conceptul său funcționează folosind CO2 aduse în laborator. În viitor, compania intenționează să obțină CO2 din biomasă, din emisii industriale sau din captarea directă din aer.

Bariere în calea schimbării

Cu toate acestea, cercetătorii și companiile se confruntă cu provocări în ceea ce privește extinderea captării și reutilizării carbonului. Unele bariere se ascund în limbajul reglementărilor redactate înainte de existența CCU. Un exemplu este programul Agenției pentru Protecția Mediului din SUA de acordare de credite fiscale companiilor care produc biocombustibili. Programul este orientat către combustibilii pe bază de plante, cum ar fi porumbul și trestia de zahăr. Abordarea LanzaTech pentru fabricarea combustibilului pentru avioane nu se califică pentru credite, deoarece bacteriile nu sunt plante.

Alte bariere sunt mai fundamentale. Styring atrage atenția asupra practicii de lungă durată a subvențiilor pentru combustibilii fosili, care în 2021 au depășit 440 de miliarde de dolari la nivel mondial. Subvențiile guvernamentale la nivel mondial pentru industria petrolului și a gazelor naturale mențin prețurile combustibililor fosili la un nivel scăzut în mod artificial, ceea ce face dificilă concurența surselor regenerabile de energie, potrivit Agenției Internaționale pentru Energie. Styring pledează pentru mutarea acestor subvenții către sursele regenerabile.

„Încercăm să lucrăm pe principiul că reciclăm carbonul și creăm o economie circulară”, spune el. „Dar legislația actuală este configurată pentru a perpetua o economie liniară”.

Rutina de dimineață fericită care face lumea mai curată din punct de vedere al emisiilor de carbon este teoretic posibilă. Doar că nu este încă modul în care funcționează lumea. Pentru a ajunge la acea economie circulară, în care cantitatea de carbon de la suprafață este finită și controlată într-o buclă nesfârșită de utilizare și reutilizare, va fi nevoie de schimbări pe mai multe fronturi. Politica și investițiile guvernamentale, practicile corporative, dezvoltarea tehnologică și comportamentul uman ar trebui să se alinieze perfect și rapid în interesul planetei.

Între timp, cercetătorii își continuă lucrările asupra moleculei de dioxid de carbon.

„Încerc să planific pentru cel mai rău scenariu”, spune Eagan, chimistul din Akron. „Dacă legislația nu va fi niciodată în vigoare pentru a reduce emisiile, cum operăm în cadrul sistemului nostru capitalist pentru a genera valoare într-un mod regenerabil și responsabil? În cele din urmă, vom avea nevoie de o nouă chimie”.