لمستقبل طاقة أكثر استدامة.. تحويل الحمأة والنفايات والضباب الدخاني إلى منتجات مفيدة
الطرق التي ندير بها نفاياتنا حاليًا بعيدة كل البعد عن الاستدامة أو الدائرية
الطبيعة مليئة بالحلقات المترابطة. فالمياه تسافر في دورة لا تنتهي، فتنتقل من الأرض إلى السماء ثم تعود مرة أخرى.
وعندما تموت الكائنات الحية وتتحلل، تمتص قشرة الأرض عناصر مثل الكربون والنيتروجين وتستخدمها في خلق حياة جديدة.
وهذه الأنظمة الطبيعية عبارة عن حلقات مغلقة، أي أنها مكتفية ذاتيا، وليس لها بداية أو نهاية.
يعيش البشر في ظل هذه الدورات؛ ومثلهم كمثل كل الكائنات الحية، فإننا نؤثر عليها ونستفيد منها.
ولكن الطرق التي ندير بها نفاياتنا حاليًا بعيدة كل البعد عن الاستدامة أو الدائرية.
فالانبعاثات التي ننتجها والبلاستيك والأجهزة والأغذية والنفايات الأخرى التي نتخلص منها لا تعود دائمًا إلى الدورات الطبيعية للأرض.
وبدلاً من ذلك، تُترك كميات كبيرة من نفاياتنا إما في مكبات النفايات سريعة النمو، مما يؤدي إلى تلويث البيئة أو كليهما.
وفي الوقت نفسه، تتراكم انبعاثاتنا في الغلاف الجوي، مما يؤدي إلى ارتفاع درجات الحرارة العالمية وإلحاق الضرر بالنظم البيئية.
وعلى الرغم من الجهود حتى الآن، لم يتم إعادة تدوير سوى أقل من 10% من حوالي 7 مليارات طن من النفايات البلاستيكية التي تم توليدها على الإطلاق.
التخطيط لنهاية عمر المنتج في مرحلة التصميم
يعمل الباحثون في مختبر أرجون الوطني التابع لوزارة الطاقة الأمريكية على تحقيق مستقبل أكثر تجددًا، حيث يتم تداول موارد الأرض بشكل مستدام.، في هذا النوع من النظام الاقتصادي، والذي يسمى الاقتصاد الدائري، يتم التخطيط لنهاية عمر المنتج في مرحلة التصميم، بهذه الطريقة، تصبح النفايات المحتملة موردًا قيمًا لإنشاء منتجات جديدة أو مجددة.
ويعمل علماء أرجون على تطوير أساليب لاستعادة وإعادة استخدام المعادن الثمينة وغيرها من المواد القيمة من البطاريات والأجهزة في نهاية عمرها الافتراضي.
كما يعملون على تطوير تقنيات لتحويل النفايات إلى سلع قيمة. ومن خلال التعاون مع شركاء الصناعة ومؤسسات البحث الأخرى والمجتمعات المحلية، يساعدون في سد الفجوة بين الاكتشافات المختبرية والتأثير المجتمعي واسع النطاق.
مختبر أرجون الوطني التابع لوزارة الطاقة الأمريكيةإغلاق حلقة القمامة إلى الكنز
إن الاقتصاد الدائري يغلق حلقات الإنتاج في الصناعة، ويحول النفايات إلى مواد خام لإنشاء منتجات جديدة.
وهذا يعني النظر إلى مكبات النفايات على أنها أقل من مجرد أكوام من الحطام والصخور القبيحة، بل إنها أشبه بمخازن كنوز ضخمة تنتظر استخراجها من أجل مخازنها من المواد القيمة.
قال ماكس ديلفيرو، الكيميائي ورئيس المجموعة ورئيس قسم الاقتصاد الدائري في شركة أرجون: “يحتوي البلاستيك على قدر كبير من الطاقة، إنه يشبه النفط الخام المُنقى مسبقًا، وهو موجود بالفعل في باطن الأرض، وفي المستقبل، ومع تحسن التكنولوجيا، قد يكون هناك حافز مالي لحفر مكبات النفايات بحثًا عن البلاستيك”.
ابتكار أساليب جديدة لإعادة تدوير نفايات البلاستيك
يعمل ديلفيرو وفريقه في أرجون على ابتكار أساليب جديدة ومحسنة لإعادة تدوير النفايات البلاستيكية، على سبيل المثال، يستخدمون أدوات كيميائية تسمى المحفزات لتحويل الأكياس والأغشية البلاستيكية إلى منتجات ذات قيمة أعلى، مثل زيوت التشحيم والشمع، كما يعيدون تصور كيفية تصميم المنتجات البلاستيكية في البداية.
على سبيل المثال، كجزء من معهد إعادة التدوير التعاوني للبلاستيك التابع لوزارة الطاقة، طور ديلفيرو وعلماء آخرون من أرجون وجامعة كورنيل طريقة جديدة لإعادة تدوير البولي إيثيلين عالي الكثافة، أو البلاستيك من النوع 2، تعمل تقنيتهم على تحويل منتجات البولي إيثيلين عالي الكثافة بعد الاستهلاك إلى نوع جديد من المواد البلاستيكية التي يمكن إعادة تدويرها مرارًا وتكرارًا دون فقدان الجودة.
تحسين تقنيات إعادة تدوير البطاريات والأجهزة الإلكترونية
ويعمل فريق آخر في أرجون على تحسين تقنيات إعادة تدوير البطاريات والأجهزة الإلكترونية الدقيقة .
يقول جيفري سبانجينبرجر، رئيس مجموعة أبحاث وتطوير إعادة تدوير المواد في شركة أرجون ومدير مركز ريسيل: “ما يعجبني في إعادة التدوير هو أنك تبدأ بما يبدو وكأنه قمامة ـ إنه متسخ ومكسور ـ ثم تحصل في النهاية على معادن لامعة ومنتجات أخرى تخرج من المعدات. قد تكون هذه المواد مخفية في البداية، لكنها تحتوي على الكثير من الأشياء القيمة”.
إعادة تدوير البطاريات والأجهزة الأخرى يقلل من الطلب على استخراج المعادن النادرة المستخدمة في البطاريات مثل الليثيوم والكوبالت والنيكل.
كما أن إعادة هذه المواد الحيوية إلى حلقة الإنتاج يقلل أيضًا من تكلفة البطاريات للسيارات الكهربائية، مما قد يلعب دورًا مهمًا في تقليل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون ( CO2 ) .
معالجة مجاري النفايات العضوية
حتى مجاري النفايات الأكثر رائحة في المجتمع يمكن استخدامها كمواد خام قيمة.
تبحث العالمة ميلتم أورجون ديميرتاس من أرجون عن طرق لاستعادة الموارد من نفايات الطعام والطين الناتج عن المدن ومحطات معالجة مياه الصرف الصحي والعمليات الصناعية .
في المختبر، أجرت هي وفريقها تجارب على النفايات من المطاعم المحلية ومزارع الخنازير ومصانع الجعة ومنتجي الجبن وحتى منازلهم.
يقول أورجون ديميرتاس، الذي يرأس قسم المواد والعمليات المستدامة في أرجون: “إن دافعي هو تنظيف العالم. أي شيء لا يريده أحد في حديقته الخلفية أو في مدينته يثير اهتمامي”,
وتقوم أورجون ديميرتاس وزملاؤها بتغذية مجاري النفايات هذه إلى مستعمرات من الكائنات الحية الدقيقة شديدة التنوع والمرنة.
ومن خلال الهضم، تستطيع مجتمعات الكائنات الحية الدقيقة معالجة مجاري النفايات العضوية، مثل مياه الصرف الصحي والطين، وتحويلها إلى وقود، بما في ذلك غاز الميثان المتجدد ووقود الطائرات المستدام.
ولإغلاق أكبر عدد ممكن من الحلقات، يمكن استخدام بقايا هذه العمليات الغنية بالمغذيات كسماد أو محسن للتربة.
استعادة العناصر الغذائية من النفايات لها فائدة إضافية تتمثل في منع ازدهار الطحالب الضارة التي يمكن أن تسببها إذا تركت دون رادع في البيئة.
ويعمل جونهونغ تشين، كبير استراتيجيي المياه في أرجون وأستاذ في كلية بريتزكر للهندسة الجزيئية بجامعة شيكاغو، أيضًا على تسريع إنشاء تقنيات معالجة المياه واستعادة الموارد.
قال تشين، الذي يعمل كباحث رئيسي مشارك في برنامج Great Lakes ReNEW، “إن المياه ليست ضرورية فقط لاستدامة حياتنا؛ بل إنها ضرورية أيضًا لتصنيع المنتجات في كل صناعة تقريبًا”، “ما دامت المياه تمس المجتمع، فستكون هناك حاجة ماسة وفرصة لاقتصاد أزرق دائري”.
علم التفكيك
التحدي الرئيسي في تطوير أي طريقة لإعادة التدوير أو استعادة الموارد هو فصل المواد والمكونات القيمة عن بقية النفايات، والتحدي الأكبر هو فصلها بطريقة فعالة من حيث التكلفة ومستدامة بيئيًا.
كما يقول ديلفيرو “لقد أمضينا مائة عام في تطوير المواد البلاستيكية التي نستخدمها حتى تتمتع بخصائص خاصة للغاية، وفي السنوات القليلة الماضية فقط بدأنا في التفكير في كيفية تفكيكها بشكل مسؤول”، “إنه وقت مثير لأن تكون عالماً لأننا في بداية علم جديد: علم التفكيك”.
على سبيل المثال، لا تتكون النفايات البلاستيكية عمومًا من البلاستيك الخالص، فهي غالبًا ما تحتوي على ملوثات ومواد مضافة (مثل الأصباغ ومثبطات اللهب) تحتاج إلى فصلها بسلسلة من المحفزات.
وهذا علم معقد، وحتى الآن، تتكون أفضل المحفزات التي اكتشفها الباحثون لإعادة تدوير البلاستيك من معادن نادرة ومكلفة.
وقال ديلفيرو “يتعين علينا التأكد من أن المواد البلاستيكية القابلة للتحلل البيولوجي لن تكون سامة للبيئة حتى عندما تتحلل، هناك الكثير مما يجب مراعاته، وكل هذا يصب في صالح الاقتصاد الدائري”.
وينطبق الأمر نفسه على إعادة تدوير البطاريات والأجهزة الإلكترونية الدقيقة.
تحويل الحمأة والنفايات والضباب الدخاني إلى منتجات مفيدةتقنيات لفصل الزجاج والبلاستيك والمعادن والسوائل
ويقول سبانجينبرجر: “الكثير من هذه النفايات يتم مضغها أو خلطها مع بعضها البعض، ولكي نجعل إعادة التدوير مربحة، يتعين علينا إيجاد تقنيات لفصل الزجاج والبلاستيك والمعادن والسوائل وغيرها من المواد باستخدام تقنيات رخيصة وسهلة التشغيل”.
تستخدم مصانع إعادة التدوير في العالم الحقيقي سلسلة من الآلات مثل آلات التقطيع والمغناطيسات القوية والأفران لفصل المواد المختلفة.
وحتى عندما تنطوي على اللمسة الأكثر حساسية من الروبوتات الذكية للفرز، فإن العديد من العمليات الحالية لاستعادة المواد القابلة لإعادة التدوير من الأجهزة الإلكترونية غير فعالة أو كثيفة الطاقة أو باهظة الثمن.
يساعد سبانجينبرجر وزملاؤه شركاء الصناعة على اكتشاف الطرق الأكثر ربحية واستدامة للتعامل مع عمليات إعادة التدوير الخاصة بهم.
على سبيل المثال، يتعاون هو وفريقه مع شركة تويوتا موتور للهندسة والتصنيع في أمريكا الشمالية لاستكشاف استخدام طريقة مبتكرة طورها مركز ReCell لإعادة تدوير بطاريات السيارات الكهربائية، النهج الجديد – المسمى إعادة التدوير المباشر – يفصل مكونات البطاريات بالكامل، ويتركها سليمة لاستخدامها مرة أخرى في بطارية أخرى.
وهذا من شأنه أن يقلل الحاجة إلى عمليات التصنيع الباهظة الثمن المستخدمة في إنشاء المكونات من الصفر.
وفي المقابل، قد يساعد النهج الجديد في الحد من اعتماد الدولة على دول أخرى في الحصول على مواد البطاريات.
كما يشكل الفصل تحديًا كبيرًا في معالجة النفايات العضوية ومعالجتها، مثل مياه الصرف الصحي والطين ونفايات الطعام.
وذلك لأن مجاري النفايات متنوعة ومعقدة للغاية.
في الواقع، يشكل الفصل ما يصل إلى 70% من التكلفة الإجمالية لتحويل النفايات العضوية إلى وقود ومنتجات أخرى.
علم إعادة الاتصال
أحد الأسباب التي تجعل العلماء مثل أورجون ديميرتاش مهتمين بالطين والنفايات العضوية الأخرى هو أنها غنية بعنصر الكربون.
والكربون هو المكون الرئيسي للعديد من أنواع الوقود لأنه يطلق كميات كبيرة من الطاقة عند حرقه.
وهذا هو نفس العنصر الموجود في جزيئات ثاني أكسيد الكربون التي تتراكم في الغلاف الجوي وتؤدي إلى ظاهرة الاحتباس الحراري العالمي.
وعندما نحرق الوقود الأحفوري ونطلق انبعاثات ثاني أكسيد الكربون ، فإننا نلحق الضرر بأنظمة الأرض ونتخلى في الوقت نفسه عن كميات كبيرة من مورد ثمين.
يعمل الكيميائي دي جيا ليو من شركة أرجون على ربط مصادر الكربون المنبعث عادة بالصناعات التي يمكن أن تستخدمه كمواد خام لبعض أكثر أنواع الوقود والمواد الكيميائية إنتاجًا في الولايات المتحدة، بما في ذلك الإيثانول وحمض الأسيتيك والإيثيلين والبروبانول، والتي تستخدم في البنزين ومنتجات وسيطة للصناعات الكيميائية والدوائية ومستحضرات التجميل.
ويتصور ليو وفريقه مستقبلاً حيث يظل كل ثاني أكسيد الكربون الذي ننتجه في الحلقة المغلقة لاقتصادنا الدائري، حيث يتم تقليصه تدريجياً من الغلاف الجوي وإعادة استخدامه إلى ما لا نهاية، ومع ذلك، فإن تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى وقود ومواد كيميائية باستخدام التقنيات الحالية أمر مكلف ويستهلك الكثير من الطاقة .
إنشاء محفزات أكثر كفاءة
ولجعل العملية أكثر فعالية من حيث التكلفة، يعمل فريق ليو على إنشاء محفزات أكثر كفاءة وتطوير جهاز لتحويل ثاني أكسيد الكربون يسمى المحلل الكهربائي. ويعمل الجهاز في درجات حرارة وضغوط منخفضة مقارنة بالتقنيات الحالية، ويمكن تشغيله وإيقافه بسرعة دون خسارة كبيرة للطاقة.
وتجعل هذه الميزات الجهاز مثاليًا للربط مع مصادر الطاقة المتجددة مثل طاقة الرياح والطاقة الشمسية، والتي قد يكون توفرها متقطعًا.
وقال ليو “من أجل تحقيق الربح في الأمد القريب، فإن الفكرة هي استخدام الطاقة المتجددة لتحويل ثاني أكسيد الكربون المنتج محليًا إلى مواد كيميائية ومنتجات ذات قيمة مضافة للاستهلاك المحلي”. “هذا يلغي التكاليف المرتبطة بالنقل والتوزيع”.
وتشكل الطاقة المتجددة جوهر رؤية العلماء للاقتصاد الدائري، ولكن اعتمادها على نطاق واسع يعتمد على تطوير بطاريات فعالة وبأسعار معقولة للمساعدة في التغلب على إمدادات الطاقة المتقطعة.
بطارية أرخص وأكثر استدامة
حلقات الإنتاج المترابطة تشكل اقتصادًا دائريًا، فالتحسينات في تقنيات إعادة تدوير البطاريات تجعل البطاريات أرخص.
وتترجم البطاريات الأرخص إلى بنية تحتية أكثر فعالية لتخزين واستخدام الطاقة المتجددة.
وفي المقابل، تعمل الكهرباء الأرخص على خفض تكلفة إعادة تدوير ثاني أكسيد الكربون والنفايات الأخرى وتحويلها إلى مواد ذات قيمة أعلى.
ويساعد تحسين إعادة التدوير في إعادة تدوير المعادن المستردة، مما يقلل من تكلفة البطاريات بشكل أكبر، وتستمر الدورة الفاضلة.
وقد تجعل هذه الترابطات المتبادلة من تطوير التقنيات والبنية الأساسية المستدامة أمراً صعباً.
ويقول سبانجينبرجر: “بحلول الوقت الذي نتقن فيه إعادة تدوير نوع واحد من البطاريات، سوف نكتشف بطارية أرخص وأكثر استدامة تتطلب تقنية إعادة تدوير مختلفة، وهذا التقدم جيد بالطبع، فهو يثبت أننا نقترب من هدفنا النهائي”.
وقال أورجون ديميرتاش “استغرق الأمر حوالي 50 عامًا لإنتاج كميات كبيرة من البنزين – وحوالي 20 عامًا لإنتاج كميات كبيرة من الإيثانول من الذرة – التي تلبي احتياجاتنا من الوقود اليوم”، “بفضل العلم والتعليم والشراكة المخلصين، لن يكون الأمر سوى مسألة وقت قبل أن نحقق رؤيتنا لمستقبل طاقة أكثر استدامة.”
