يمكن لطريقة جديدة مستوحاة من الشعاب المرجانية التقاط ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي وتحويله إلى مواد بناء متينة ومقاومة للحريق، مما يوفر حلاً واعدًا للبناء السلبي للكربون.
هذا النهج، الذي طوره باحثون من جامعة جنوب كاليفورنيا، ووُصف بالتفصيل في دراسة نُشرت في مجلة npj Advanced Manufacturing ، مستوحى من قدرة الشعاب المرجانية في المحيطات الطبيعية على بناء هياكل متينة عن طريق عزل ثاني أكسيد الكربون.
تُظهر المركبات المعدنية البوليمرية الناتجة قوة ميكانيكية استثنائية، ومتانة في الكسر، وقدرة على مقاومة الحرائق.
تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد
قال تشيمينج وانج، الأستاذ المشارك في الهندسة المدنية والبيئية بكلية فيتربي للهندسة بجامعة جنوب كاليفورنيا: “تُمثل هذه خطوة محورية في تطور عملية تحويل ثاني أكسيد الكربون، فعلى عكس تقنيات احتجاز الكربون التقليدية التي تُركز على تخزين ثاني أكسيد الكربون أو تحويله إلى مواد سائلة، وجدنا أن عملية التصنيع الكهروكيميائية الجديدة هذه تُحوّل المركب الكيميائي إلى معادن كربونات الكالسيوم في سقالات بوليمرية مطبوعة بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد”.
إلهام الشعاب المرجانية
تُركز تقنيات احتجاز الكربون الحالية عادةً على تخزين ثاني أكسيد الكربون أو تحويله إلى مواد سائلة، إلا أن هذه التقنية مكلفة وغير فعالة عمومًا.
تُقدم هذه الطريقة الجديدة حلاً أقل تكلفةً من خلال دمج احتجاز الكربون مباشرةً في مواد البناء.
عزا وانج “سحر المرجان المحيطي”، إلى كونه عاملًا أساسيًا في هذا الاكتشاف المذهل للدراسة، قائلا “ككائن حي، يستطيع المرجان استخدام عملية التمثيل الضوئي لالتقاط ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي وتحويله إلى بنية”.
استُلهمت هذه الطريقة مباشرةً من كيفية تكوين المرجان لهياكله الهيكلية الأراجونيتية، المعروفة باسم المرجانيات، في الطبيعة، يُكوّن المرجان المرجانيات من خلال عملية تُسمى التمعدن الحيوي، حيث يعزل المرجان ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي عبر عملية التمثيل الضوئي.
ثم يدمج المركب الكيميائي مع أيونات الكالسيوم من مياه البحر لترسيب معادن الكالسيوم حول القوالب العضوية.
مركب معدني بوليمري كثيف
قام فريق البحث بتكرار هذه العملية بإنشاء سقالات بوليمرية مطبوعة بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد تُحاكي القوالب العضوية للمرجان.
ثم غطوها بطبقة رقيقة موصلة، ثم وُصلت هذه الهياكل المطلية بدوائر كهروكيميائية كأقطاب سالبة، وغُمرّت في محلول كلوريد الكالسيوم.
عند إضافة ثاني أكسيد الكربون إلى المحلول، خضع للتحلل المائي ليتحلل إلى أيونات بيكربونات.
تفاعلت هذه الأيونات مع الكالسيوم في المحلول لتكوين كربونات الكالسيوم، التي ملأت المسام المطبوعة ثلاثية الأبعاد تدريجيًا.
نتج عن ذلك المنتج النهائي، وهو مركب معدني بوليمري كثيف.
مقاومة الحريق
ربما تكون السمة الأكثر إثارة للدهشة في المادة المركبة التجريبية هي تفاعلها مع النار، فبينما تفتقر سقالات البوليمر المطبوعة بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد إلى خصائص مقاومة الحريق الكامنة، حافظت المركبات المعدنية على سلامتها الهيكلية تحت اختبارات اللهب التجريبية التي أجراها فريق البحث.
قال وانج: “كشفت طريقة التصنيع عن آلية طبيعية لإخماد الحرائق من خلال التعرض المباشر للهب لمدة 30 دقيقة”.
وأضاف: “عند تعرضها لدرجات حرارة عالية، تُطلق معادن كربونات الكالسيوم كميات صغيرة من ثاني أكسيد الكربون، والتي يبدو أنها تُخمد الحرائق، تُوفر هذه الميزة الأمنية المدمجة مزايا كبيرة لتطبيقات البناء والهندسة التي تُعدّ مقاومة الحرائق فيها أمرًا بالغ الأهمية”.
بالإضافة إلى مقاومة الحرائق، يُمكن إصلاح الهياكل المُصنّعة المتشققة بتوصيلها بكهرباء منخفضة الجهد. تُمكّن التفاعلات الكهروكيميائية من إعادة ربط الواجهات المتشققة واستعادة قوتها الميكانيكية.
مستقبل خالٍ من الكربون
وبعد تقييم دقيق لدورة الحياة، وجد الباحثون أن الهياكل المصنعة تتميز ببصمة كربونية سلبية، مما يكشف أن التقاط الكربون تجاوز الانبعاثات الكربونية المرتبطة بالتصنيع والعمليات.
وأظهر الباحثون أيضًا كيف يمكن تجميع المواد المركبة المصنعة في هياكل أكبر باستخدام نهج معياري، مما يؤدي إلى إنشاء هياكل تحمل الأحمال على نطاق واسع؛ ويمكن استخدام المواد المركبة في البناء والتطبيقات الأخرى التي تتطلب مقاومة ميكانيكية عالية.
قال وانج، إن الباحثين يعتزمون التركيز على تسويق هذه التقنية الحاصلة على براءة اختراع، وبما أن مواد البناء والإنشاءات مسؤولة عن حوالي 11% من انبعاثات الكربون العالمية، فإن طريقة التصنيع الجديدة في الدراسة تُمهّد الطريق لإمكانية بناء مبانٍ خالية من الكربون.
