في محاولة للحد من مخاطر تغير المناخ ، شرع علماء المعهد القومي للمعايير والتكنولوجيا في اكتشاف مواد جديدة يمكنها إخراج ثاني أكسيد الكربون الذي يتسبب في ارتفاع درجة حرارة الكوكب (CO 2 ) من الغلاف الجوي ، وهي تقنية تسمى “التقاط الهواء المباشر”.
توجد بالفعل مواد التقاط الهواء المباشر ، لكنها إما تكلف الكثير من المال أو تستهلك الكثير من الطاقة ليتم نشرها على نطاق عالمي. يستخدم علماء المعهد القومي للمعايير والتكنولوجيا (NIST) عمليات المحاكاة الحاسوبية لفحص المواد الافتراضية التي لم يتم تصنيعها مطلقًا ولكن قد يكون لها الخصائص الفيزيائية المناسبة لجعل هذه التقنية قابلة للتطوير.
قال المهندس الكيميائي في المعهد الوطني للمعايير والتقنية فينسينت شين ، “إن الطريقة التقليدية لفحص المواد هي تجميعها ، ثم اختبارها في المختبر ، لكن هذا بطيء جدًا”، “المحاكاة الحاسوبية تسرع عملية الاكتشاف بشكل كبير.”
يقوم شين وزملاؤه أيضًا بتطوير أساليب حسابية جديدة من شأنها تسريع البحث بشكل أكبر.
قال شين: “هدفنا هو تطوير أساليب نمذجة أكثر كفاءة تستخرج أكبر قدر ممكن من المعلومات من المحاكاة”، “من خلال مشاركة هذه الأساليب ، نأمل في تسريع عملية الاكتشاف الحسابي لجميع الباحثين الذين يعملون في هذا المجال.”
يعتبر التقاط الهواء المباشر أمرًا مهمًا لأن البشرية قد غيّرت بالفعل الغلاف الجوي للأرض بشكل عميق – فقد وصل ثلث إجمالي ثاني أكسيد الكربون الموجود في الهواء إلى هناك نتيجة للنشاط البشري.
قالت الكيميائيّة NIST ، باميلا تشو ، التي تقود مبادرة التقاط الكربون التي أطلقتها الوكالة مؤخرًا: “إن احتجاز الكربون هو وسيلة لعكس بعض هذه الانبعاثات ومساعدة الاقتصاد على أن يصبح محايدًا للكربون بسرعة أكبر” .
بمجرد التقاط ثاني أكسيد الكربون ، يمكن استخدامه لتصنيع البلاستيك وألياف الكربون أو دمجها مع الهيدروجين لإنتاج الوقود الاصطناعي. تتطلب هذه الاستخدامات طاقة ولكن يمكن أن تكون محايدة للكربون إذا كانت مدعومة بمصادر الطاقة المتجددة.
في حالة عدم توفر الطاقة المتجددة ، يتم استخدام ثاني أكسيد الكربون في التكوينات الجيولوجية العميقة بهدف إبقائه محاصرًا تحت الأرض.
تخدم علماء المعهد القومي للمعايير والتكنولوجيا (NIST) عمليات المحاكاة الحاسوبية التي تحسب تقارب مادة الالتقاط المحتمل لثاني أكسيد الكربون بالنسبة إلى الغازات الأخرى في الغلاف الجوي، يسمح لهم ذلك بالتنبؤ بمدى جودة أداء مادة الالتقاط، تولد عمليات المحاكاة أيضًا صورًا توضح كيفية عمل احتجاز الكربون على نطاق جزيئي.
تُظهر المواد البلورية المسامية وعدًا خاصًا لاحتجاز ثاني أكسيد الكربون ، تتكون هذه المواد من ذرات مرتبة في نمط ثلاثي الأبعاد متكرر يترك فراغات بينها، في هذا الرسم التوضيحي المفاهيمي ، تمثل الأشرطة الرمادية مادة بلورية ، بينما تمثل المجالات الحمراء الفراغات.
تتوزع الإلكترونات بشكل غير متساوٍ داخل التركيب البلوري ، مما يخلق مجالًا كهربائيًا جذابًا في بعض الأماكن ومثير للاشمئزاز في أماكن أخرى. تعتمد ملامح هذا المجال على أنواع الذرات في البلورة وترتيبها الهندسي ، إذا اصطفت جميع القوى بشكل صحيح ، فسيتم سحب جزيئات ثاني أكسيد الكربون إلى فراغات البلورة عن طريق التجاذب الكهروستاتيكي .
يمكن تصنيع المواد البلورية المسامية بأنواع مختلفة من الذرات ، ويمكن تكوين الذرات في أشكال هندسية مختلفة. التباديل عمليا لا نهاية له، تسمح المحاكاة الحاسوبية للعلماء باستكشاف هذا الكون الواسع من الاحتمالات.
قال المهندس الكيميائي NIST دانيال سيديوس: “يمكننا تخيل المواد التي لم تكن موجودة من قبل والتنبؤ بكيفية أدائها”.
تجمع عمليات المحاكاة الحاسوبية بين قواعد الفيزياء والطرق الإحصائية للتنبؤ باتجاه ثاني أكسيد الكربون تتلامس مع مادة الالتقاط – سواء تم سحبها إلى الفراغات أو انتشارها في الهواء المحيط أو ارتدادها فقط. بشكل عشوائي في حالة توازن.
تتنبأ معظم طرق المحاكاة بسلوك النظام عند درجة حرارة وضغط وكثافة محددة، لكن طرق النمذجة من NIST تسمح للباحثين باستقراء تلك البيانات لظروف مختلفة.
قال سيديريوس: “لنفترض أنك قدّرت السلوك عند درجة حرارة واحدة ، لكنك تريد أن تعرف ما الذي سيحدث عند درجة حرارة مختلفة. عادةً ، سيتعين عليك تشغيل محاكاة جديدة”، “باستخدام أدواتنا ، يمكنك استقراء درجات حرارة مختلفة دون الحاجة إلى تشغيل محاكاة جديدة. يمكن أن يوفر ذلك الكثير من وقت الحوسبة.”
في الوقت الحالي ، تعمل أفضل العمليات أداءً لالتقاط الكربون على نطاق صناعي عن طريق فقاعات الهواء من خلال محلول كيميائي. لكن التقاط ثاني أكسيد الكربون لا يمثل سوى نصف العملية، ثم يجب إزالته من المحلول حتى يمكن تخزينه وبالتالي يمكن استخدام الحل مرة أخرى. يتطلب هذا تسخين المحلول إلى درجة حرارة عالية ، الأمر الذي يستهلك الكثير من الطاقة.
يأمل باحثو المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (NIST) في العثور على مادة تستخرج ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي عند درجات الحرارة والضغوط العادية ، لكنها تطلقه استجابة لتغيرات صغيرة نسبيًا في الحرارة أو الضغط، ستكون العملية المثالية منخفضة التكلفة ، من الناحية المالية والطاقة ، ولن تنتج منتجات نهائية سامة.
قال سيديريوس ، متحدثًا عن المجتمع الأوسع للعلماء الذين يعملون على هذه المشكلة: “لم نصل إلى المواد المثالية بعد”، “ولكن هناك الكثير من المواد المحتملة ، ويمكن أن تساعدنا طرق المحاكاة الجديدة في العثور عليها بسرعة أكبر.”
