O nível atmosférico de dióxido de carbono – um gás que retém o calor, contribuindo para a mudança climática – é quase o dobro do que era antes da Revolução Industrial, mas constitui apenas 0,0415% do ar que respiramos.
Isso representa um desafio para os pesquisadores que tentam projetar árvores artificiais ou outros métodos de captura de dióxido de carbono diretamente do ar. Esse desafio é uma equipe de cientistas liderada pelo Sandia National Laboratories que está tentando resolver.
Liderada pelo engenheiro químico Sandia, Tuan Ho, a equipe tem usado poderosos modelos de computador combinados com experimentos de laboratório para estudar como um tipo de argila pode absorver o dióxido de carbono e armazená-lo.
Os cientistas compartilharam suas descobertas iniciais em um artigo publicado no início desta semana em O Jornal de Cartas de Química Física.
“Essas descobertas fundamentais têm potencial para captura direta de ar; é para isso que estamos trabalhando”, disse Ho, principal autor do artigo. “A argila é realmente barata e abundante na natureza. Isso deve nos permitir reduzir significativamente o custo da captura direta de carbono no ar, se esse projeto de alto risco e alta recompensa acabar levando a uma tecnologia.”
Por que capturar carbono?
A captura e sequestro de carbono é o processo de capturar o excesso de dióxido de carbono da atmosfera da Terra e armazená-lo no subsolo com o objetivo de reduzir os impactos das mudanças climáticas, como tempestades severas mais frequentes, aumento do nível do mar e aumento das secas e incêndios florestais. Esse dióxido de carbono pode ser capturado de usinas de queima de combustível fóssil ou outras instalações industriais, como fornos de cimento, ou diretamente do ar, o que é mais desafiador tecnologicamente. A captura e sequestro de carbono é amplamente considerada uma das tecnologias menos controversas consideradas para a intervenção climática.
“Gostaríamos de energia de baixo custo, sem arruinar o meio ambiente”, disse Susan Rempe, bioengenheira da Sandia e cientista sênior do projeto. “Podemos viver de uma maneira que não produza tanto dióxido de carbono, mas não podemos controlar o que nossos vizinhos fazem. A captura direta de carbono no ar é importante para reduzir a quantidade de dióxido de carbono no ar e mitigar nossos vizinhos liberam.”
Ho imagina que os dispositivos à base de argila poderiam ser usados como esponjas para absorver o dióxido de carbono, e então o dióxido de carbono poderia ser “espremido” para fora da esponja e bombeado para o subsolo. Ou a argila poderia ser usada mais como um filtro para capturar dióxido de carbono do ar para armazenamento.
Além de ser barata e amplamente disponível, a argila também é estável e tem uma grande área superficial – é composta de muitas partículas microscópicas que, por sua vez, têm rachaduras e fendas cerca de cem mil vezes menores que o diâmetro de um fio de cabelo humano. Essas minúsculas cavidades são chamadas de nanoporos, e as propriedades químicas podem mudar dentro desses poros em nanoescala, disse Rempe.
Esta não é a primeira vez que Rempe estuda materiais nanoestruturados para capturar dióxido de carbono. Na verdade, ela faz parte de uma equipe que estudou um catalisador biológico para converter dióxido de carbono em bicarbonato estável em água, adaptou uma membrana nanoestruturada fina para proteger o catalisador biológico e recebeu uma patente para sua membrana de captura de carbono bioinspirada. É claro que essa membrana não é feita de argila barata e foi inicialmente projetada para funcionar em usinas de queima de combustíveis fósseis ou outras instalações industriais, disse Rempe.
“Estas são duas soluções possíveis complementares para o mesmo problema”, disse ela.
Como simular a nanoescala?
A dinâmica molecular é um tipo de simulação de computador que analisa os movimentos e interações de átomos e moléculas em nanoescala. Ao observar essas interações, os cientistas podem calcular a estabilidade de uma molécula em um ambiente específico – como em nanoporos de argila preenchidos com água.
“A simulação molecular é realmente uma ferramenta poderosa para estudar as interações em escala molecular”, disse Ho. “Isso nos permite entender completamente o que está acontecendo entre o dióxido de carbono, a água e a argila, e o objetivo é usar essas informações para projetar um material de argila para aplicações de captura de carbono”.
Neste caso, as simulações de dinâmica molecular conduzidas por Ho mostraram que o dióxido de carbono pode ser muito mais estável nos nanoporos úmidos da argila do que na água pura, disse Ho. Isso ocorre porque os átomos na água não compartilham seus elétrons uniformemente, tornando uma extremidade ligeiramente carregada positivamente e a outra ligeiramente carregada negativamente. Por outro lado, os átomos no dióxido de carbono compartilham seus elétrons uniformemente e, como o óleo misturado com água, o dióxido de carbono é mais estável perto de moléculas semelhantes, como as regiões de silício-oxigênio da argila, disse Rempe.
Colaboradores da Purdue University, liderados pelo professor Cliff Johnston, usaram recentemente experimentos para confirmar que a água confinada em nanoporos de argila absorve mais dióxido de carbono do que a água pura, disse Ho.
O pesquisador de pós-doutorado de Sandia, Nabankur Dasgupta, também descobriu que dentro das regiões semelhantes a óleo dos nanoporos, é preciso menos energia para converter dióxido de carbono em ácido carbônico e torna a reação mais favorável em comparação com a mesma conversão em água pura, disse Ho. Ao tornar essa conversão favorável e exigir menos energia, as regiões oleosas dos nanoporos da argila permitem capturar mais dióxido de carbono e armazená-lo com mais facilidade, acrescentou.
“Até agora, isso nos diz que a argila é um bom material para capturar dióxido de carbono e convertê-lo em outra molécula”, disse Rempe. “E entendemos por que isso ocorre, para que o pessoal da síntese e os engenheiros possam modificar o material para melhorá-lo. As simulações também podem guiar os experimentos para testar novas hipóteses.”
Os próximos passos do projeto serão usar simulações de dinâmica molecular e experimentos para descobrir como retirar o dióxido de carbono do nanoporo, disse Ho. Ao final do projeto de três anos, eles planejam conceituar um dispositivo de captura de carbono de ar direto à base de argila.
O projeto é financiado pelo programa de Pesquisa e Desenvolvimento Dirigido por Laboratório de Sandia. A pesquisa foi realizada, em parte, no Centro de Nanotecnologias Integradas, uma instalação do usuário do Office of Science operada para o Departamento de Energia pelos laboratórios nacionais Sandia e Los Alamos.
O Sandia National Laboratories é um laboratório multimissão operado pela National Technology and Engineering Solutions da Sandia LLC, uma subsidiária integral da Honeywell International Inc., para a Administração Nacional de Segurança Nuclear do Departamento de Energia dos Estados Unidos. Sandia Labs tem grandes responsabilidades de pesquisa e desenvolvimento em dissuasão nuclear, segurança global, defesa, tecnologias de energia e competitividade econômica, com instalações principais em Albuquerque, Novo México e Livermore, Califórnia.
Com informações de Science Daily.