استخراج کربن از هوا و تبدیل آن به بنزین؛ آیا انقلابی بزرگ در راه است؟

راب مک‌گینیس، بنیان‌گذار و مدیر اجرایی شرکت Prometheus Fuels در یک رویداد رسمی، خبر از طراحی و تولید محصولی داد که Maxwell Core نام دارد. دستگاهی با یک پوسته خاص که از نانولوله‌های کربنی در ساخت آن استفاده شده و روزنه‌هایی دارد که قادر به تفکیک الکل از آب است. این دستگاه متصل به منبعی متشکل از آب و الکل است. 

زمانی که مک‌گینیس مشغول تشریح عملکرد دستگاه فوق بود، تیمش باک یک موتورسیکلت هارلی-دیویدسون را پر می‌کردند. الکل از درون پوسته جاری شد و آن‌قدر آن‌را محکم کرد تا انرژی لازم برای حرکت موتور فراهم شد. در ادامه به حضار اجازه داده شد تا دوری با این موتورسیکلت بزنند. 

این نمایش بخشی از ارائه مک‌گینیس در هنگام رونمایی از فناوری جدیدی بود که قرار است تحول‌آفرین باشد. پرومتئوس در نظر دارد با استخراج گاز گلخانه‌ای از هوا و تبدیل آن به سوخت کربن خنثا  (Carbon-Neutral) به قیمتی نزدیک به سوخت‌های فسیلی، انرژی موردنیاز وسایل حمل‌ونقل را تامین کرده و تاریخ‌ساز شود. جالب آن‌که استارت‌آپ فوق سرمایه‌گذاران زیادی جذب کرده و شرکت‌هایی بزرگی مثل، BMW، فروشگاه Maersk و شرکت سرمایه‌گذاری مطرح Y Combinator  نیز در این استارت‌آپ سرمایه‌گذاری کرده‌اند تا این کسب‌وکار نوپا در همان روزهای اولیه تاسیس بیش از 50 میلیون دلار نقدینگی به‌دست آورد. 

بد نیست بدانید این استارتاپ موفق به عقد قرارداد‌هایی با شرکت‌های هواپیمایی بزرگی مثلAmerican Airlines  شده تا میلیون‌ها گالن سوخت در اختیار آن‌ها قرار دهد. ایده استارت‌آپ فوق به اندازه‌ای مورد توجه قرار گرفته که برخی مقامات دولتی ایالات متحده در سخن‌رانی‌های خود به آن اشاره داشته‌اند. با این‌حال، مسئله‌‌ای در این زمینه وجود دارد؛ این شرکت هنوز شواهد یا به عبارت دقیق‌تر، اطلاعات فنی در اختیار رسانه‌ها قرار نداده تا نشان دهد ایده‌اش قابلیت پیاده‌سازی در مقیاس بزرگ را دارد. 

اولین جرقه شکل‌گیری پرومتئوس  

مک‌گینیس در سال 2018 در مقاله‌ای که در مجله Science Advances منتشر شد، به تشریح این مسئله پرداخت که می‌توان پوسته‌هایی از نانولوله‌های کربنی ایجاد کرد که امکان پس‌زدن نمک و سولفات منیزیم را دارند. همچنین، می‌توان نانولوله‌هایی با دهانه‌ بسیار بزرگ طراحی کرد که مولکول‌های الکل بتوانند از آن‌ها بگذرند، اما بخش‌های داخلی بدنه آب را پس بزنند. مک‌گینیس معتقد است که می‌توان از این فناوری برای کاهش هزینه‌ها استفاده کرد و گامی مهم در زمینه تولید سوخت‌های ترکیبی برداشت. مک‌گینیس اواخر سال 2018 موفق شد پروژه خود را در برنامه شتاب‌دهنده Y Combinator ثبت کند و فرآیند جذب سرمایه‌گذار را آغاز کند. او می‌گوید: «همان موقع بود که ایده پیاده‌سازی استارتاپ پرومتئوس فیولز به ذهنم خطور کرد».

فناوری استارت‌آپ پرومتئوس چیست؟

مک‌گینیس و تیمش نمونه اولیه سیستمی را ساخته‌اند که یک پوسته نانولوله‌ای را با دستگاهی ترکیب می‌کند که دی‌اکسیدکربن را مکش می‌کند. این سیستم کربن دریافتی را به الکل تبدیل و بعد آن‌را فشرده می‌کند. نسخه تجاری این سیستم از انرژی تجدیدپذیر استفاده می‌کند و یک مرحله نهایی دارد که الکل را به اشکال ترکیبی بنزین، گازوئیل و سوخت جت تبدیل می‌کند. مک‌گینیس می‌گوید: «سوخت حاصله می‌تواند از نظر قیمت با سوخت‌های فسیلی رقابت کند و نسبت به سوخت‌های فسیلی، گاز گلخانه‌ای کمتری تولید می‌کند». 

فناوری فوق تفاوت‌های زیادی با مکانیزم کاری پالایشگاه‌های بزرگی دارد که سوخت مورد نیاز سیستم حمل‌و‌نقل را تولید می‌کنند. فناوری پرمتئوس ماژولار است و قابلیت ساخت با هزینه کم در مکان‌های مختلف را دارد؛ از این‌رو، نیازی به زیرساخت‌ها و لوله‌های عظیمی ندارد که پالایشگاه‌ها بر مبنای آن کار می‌کنند. این شرکت آوریل 2022 اعلام کرد که انتظار دارد تا سال 2030 حدود نیم میلیون مرکز تولید سوخت فعال داشته باشد. مراکزی که سالانه حدود 50 میلیارد گالن سوخت تولید خواهند کرد و تا پایان دهه جاری میلادی نزدیک به 7 میلیارد تن دی‌اکسیدکربن را از هوا مکش خواهند کرد.  اگر این سوخت واقعا با هزینه و در مقیاس ادعایی تولید شود، پرومتئوس نه‌تنها به‌طور جدی بازار جهانی انرژی را متحول خواهد کرد، بلکه قادر است به قدرت بلامنازع در این زمینه تبدیل شود. این استارتاپ به روشی ساده قادر به خنثاسازی آلودگی خودروهای درون جاده‌ای، کشتی‌ها و هواپیماها خواهد بود. علاوه بر این، وابستگی به سوخت‌های فسیلی را به میزان قابل توجهی کاهش می‌دهد. با این‌حال، برخی محققان، کارآفرینان و سرمایه‌گذاران بزرگ نسبت به این مسئله تردید دارند. 

برخی کارشناسان با استناد به فایل معرفی این دستگاه که از دانشگاه MIT گرفته شده شک دارند که این استارت‌آپ بتواند بودجه لازم برای انجام چنین کاری را به‌دست آورد. اریک مک‌فارلند، استاد مهندسی شیمی دانشگاه کالیفرنیا می‌گوید: «خنده‌دار است. دوباره وارد یکی از حباب‌های فناوری شدیم. مردم و برخی شرکت‌های بزرگ پول‌های خود را روی پروژه‌هایی سرمایه‌گذاری می‌کنند که هیچ وقت عملی نخواهد شد و این هم یکی از همان پروژه‌ها است».

گروهی دیگر بر این باور هستند که چگونه ممکن است یک استارت‌آپ کوچک در سکوت خبری موفق شده باشد یک ماده شیمیایی مدرن، یک کاتالیزگر تازه و یک پوسته نانولوله‌ای پیشرفته را در یک سیستم مقرون‌به‌صرفه با قابلیت تجاری‌سازی قرار داده باشد. آن‌ها به این نکته اشاره دارند که این شرکت هنوز سیستم خود را به‌طور عمومی به نمایش نگذاشته و حتا به سرمایه‌گذاران بالقوه جزئیات زیادی درباره نحوه عملکرد سیستم ارائه نکرده است. این کارشناسان معتقد هستند دست‌کم به یک یا دو دهه زمان نیاز است تا کارخانه‌ها بتوانند از کربن موجود در هوا بنزین تولید کنند و قیمت آن‌را به اندازه سوخت‌های فسیلی کاهش دهند. به‌کارگیری باتری در ارتباط با خودروهای برقی شخصی کارساز بوده، اما تجهیز همه خودروهای جهان به این فناوری و ساخت ایستگاه‌های شارژ دست‌کم به چند دهه زمان نیاز دارد. ‌علاوه بر این، هیچ‌کس انتظار ندارد که باتری‌ها بتوانند به این زودی‌ها انرژی لازم برای کشتی‌ها و هواپیماهای بزرگ را تامین کنند، در حالی که استارت‌آپ پرومتئوس بر این باور است که قادر به حل تمامی این مشکلات تنها در چند سال است. 

راه‌حلی به‌نام الکتروسوخت 

پرومتئوس به‌همراه چند کسب‌وکار نوپای دیگر که روی تولید سوخت از کربن موجود در هوا کار می‌کنند، محصول نهایی خود را «الکتروسوخت» (Electrofuels) نامیده‌اند، زیرا فرآیند مذکور اساسا انرژی موجود در الکتریسیته را به سوخت مایع تبدیل می‌کند. استارت‌آپ‌های فوق معتقد هستند ایده آن‌ها گامی مهم در کنترل تغییرات اقلیمی است، زیرا موفق به ساخت سیستمی شده‌اند که سوخت مبتنی بر کربن خنثا می‌سازد که جوابگوی نیازهای صنعت حمل و نقل است. رقابت با انرژی موجود در سوخت‌های هیدروکربنی (مثل بنزین و گازوئیل) و سهولت استفاده از آن‌ها موضوع ساده‌ای نیست که بتوان به‌راحتی از کنار آن گذشت. مریت دیلی، محقق مرکز کاهش آلودگی‌های کربنی دانشگاه آریزونا می‌گوید: «این سوخت‌ها ارزان، به‌راحتی قابل حمل و در دسترس قرار دارند».

استارت‌آپ‌ مذکور بر این باور است که بهترین راه برای تولید این نوع سوخت جدید، احداث نیروگاه‌هایی است که با استفاده از دستگاه‌های جاذب و حلال، دی‌اکسیدکربن را به‌طور مستقیم از هوا مکش کنند. امروزه، دستگاه‌های موسوم به الکترولایزر می‌توانند آب را جدا کرده و هیدروژن تمیز بسازند و هیدروژن را در ترکیب با کربن به هیدروکربن تبدیل کنند. 

سازوکار دستگاه فوق ساده است و توسط یکی از رقبای استارتاپ پرومتئوس به‌نام Carbon Engineering استفاده می‌شود. استارت‌آپ Carbon Engineering  در سال 2017 قابلیت تولید سوخت از کربن موجود در هوا را به یکی از نیروگاه‌های آزمایشی خود اضافه کرد. این شرکت در همان سال وعده داد که در بریتیش کلمبیا یک نیروگاه تجاری با قابلیت تولید سالانه بیش از 25 میلیون گالن بنزین، گازوئیل و سوخت جت با کربن پایین بسازد. با این‌حال، مشکلی که وجود دارد این است که ساخت و استفاده از تجهیزات مکش مستقیم هوا و الکترولایزر هزینه‌بر است. جداسازی دی‌اکسیدکربن از هوا و فشرده‌سازی گاز حاصله به دمای زیادی نیاز دارد. علاوه بر این، الکترولایزرها به برق زیادی نیاز دارند. 

پژوهشی که سال گذشته درباره الکتروسوخت‌ها انجام شد، نشان داد قیمت تمام‌شده تولید هر گالن بنزین با فناوری‌های استاندارد، حدود 16.80 دلار است. این مطالعه پیش‌بینی کرده که این قیمت در دهه آینده به 6.40 دلار و تا سال 2050 به 3.60 دلار برسد، اما این کاهش قیمت مستلزم کاهش قابل توجه هزینه تجهیزات و برق است. با توجه به هزینه‌های مذکور، برخی ناظران معتقد هستند الکتروسوخت نمی‌تواند بدون سیاست‌های حمایتی جایگاهی در بازار پیدا کند. 

با این وجود، پرومتئوس وعده داده که سوخت آن‌ها می‌تواند به‌طور مستقیم با سوخت‌های فسیلی رقابت کند و بر مبنای راه‌حل‌های نوآورانه موفق به ابداع راهکاری شده تا گام‌های غیرضروری را که دیگر الکتروسوخت‌ها از آن‌ها استفاده می‌کنند و پرهزینه هستند حذف کند. علاوه بر این، استارتاپ مذکور می‌گوید: «عملیاتی کردن این سازوکار تنها به چند سال زمان به‌جای چند دهه نیاز دارد».

فناوری پرومتئوس چگونه کار می‌کند؟

سامانه‌ای که پرومتئوس طراحی کرده بر مبنای یک فرآیند چهار مرحله‌ای کار می‌کند. 

• در مرحله اول، پره‌های صنعتی هوا را به داخل دستگاه مکش می‌کنند و آن‌را با آب و چند ماده دیگر که می‌توانند سدیم کربنات باشند، ترکیب می‌کنند. در ادامه، دستگاه واکنشی ایجاد می‌کند تا مولکول‌های دی‌اکسیدکربن موجود در هوا از کربنات به بی‌کربنات تبدیل شود.
• در مرحله دوم، ماده حاصله به سلولی شبیه باتری انتقال پیدا می‌کند که در وسط یک پوسته و در طرفین الکترود دارد. این سلول برای تولید چند واکنش شیمیایی از الکتریسیته استفاده می‌کند و در نهایت الکل را ایجاد می‌کند. در فناوری مذکور از کاتالیزگری استفاده می‌شود که بر پایه فناوری تحت مجوز آزمایشگاه ملی اوک ریج (Oak Ridge) ساخته شده است. هنگامی‌که تغییر ولتاژی انجام می‌شود، دی‌اکسیدکربن محلول در آب با بازدهی 63 درصدی به اتانول تبدیل می‌شود.
• در مرحله سوم، پوسته نانولوله‌ کربنی پرومتئوس الکل را از آب جدا می‌کند. 
• در مرحله چهارم ، یک کاتالیزگر دیگر با الکل ترکیب می‌شود و آن‌را به بنزین، گازوئیل یا سوخت جت ترکیبی تبدیل می‌کند. این استارتاپ در سال 2020 مجوز جداگانه‌ای را از آزمایشگاه اوک ریج دریافت کرد تا بتواند از طریق یک فرآیند چندمرحله‌ای که مبتنی بر یک کاتالیزگر ابداعی این شرکت است، از اتانول سوخت جت بسازد. 

همان‌گونه که اشاره شد، عملکرد پرومتئوس در زمینه تبدیل کربن هوا به سوخت متفاوت از شرکت‌های دیگر است. آن‌گونه که مک‌گینیس اشاره کرده است، سیستم‌ طراحی‌شده توسط استارتاپ مذکور می‌تواند تحت فشار استاندارد جوی و در دمای اتاق کار کند. این فناوری به انرژی گرمایی لازم برای تولید  دی‌اکسیدکربن فشرده نیازی ندارد و هزینه الکترولایزر مخصوص تولید هیدروژن را حذف می‌کند. علاوه بر این، راه‌حل شرکت فوق قادر است الکل را به‌طور مستقیم از دی‌اکسیدکربن محلول در آب دریافت و آن‌را به سوخت‌های استاندارد تبدیل کند. ایوان دیوید شروین، پژوهشگر دانشگاه استنفورد می‌گوید: «اگر این استارتاپ توانسته باشد راهی برای تولید این نوع سوخت پیدا کند، هزینه انرژی به‌شکل چشم‌گیری کاهش خواهد یافت». در یکی از اسلایدهایی که استارت‌آپ فوق در اختیار سرمایه‌گذاران قرار داده به یک پمپ سوختی اشاره شده که علامت کربن خالص صفر روی آن دیده می‌شود. گزارشی که استارت‌آپ فوق در اختیار سرمایه‌گذاران قرار داده به این نکته اشاره دارد که سامانه طراحی‌شده، بنزین را گالنی 3.50 و گازوئیل را گالنی 3.75 دلار عرضه می‌کند که زیر میانگین قیمت سوخت در ایالات متحده است. 

فناوری استارت‌آپ پرومتئوس بیرون آزمایشگاه هم عملی است؟

شاید مهم‌ترین پرسش درباره فناوری پرومتئوس این است که بخش‌های مختلف این سیستم تجربی، به‌ویژه سلول‌های الکتروشیمیایی آن که الکل تولید می‌کنند، در خارج از آزمایشگاه به چه صورتی کار می‌کنند؟ شان مک‌کوی، استادیار واحد مهندسی شیمی و نفت دانشگاه کلگری می‌گوید: «گروه‌های دانشگاهی بخش‌های کلیدی این مدل فرآیندها را بررسی کرده‌اند. بیشتر پروژه‌ها در مراحل ابتدایی تحقیق با مشکل روبه‌رو می‌شوند. آمارها نشان می‌دهند، بخش عمده‌ای از پروژه‌های که برای تبدیل دی‌اکسیدکربن به الکل به سراغ فرآیندهای الکتروشیمیایی رفته‌اند، به نرخ بازدهی پایینی رسیده‌اند».

مک‌کوی می‌گوید: «آیا به‌لحاظ فنی می‌توان این‌کار را به روشی که آن‌ها ادعا کرده‌اند، پیاده‌سازی کرد؟ پاسخ مثبت است، اما اگر مشکلات اساسی این سازوکار حل نشود، به احتمال زیاد ایده آن‌ها چند سال دیگر به یک واقعیت تجاری تبدیل خواهد شد. آیا می‌توانند قیمتی ارائه کنند که (بدون یارانه) با سوخت‌های فسیلی قابل رقابت باشند؟ شک دارم».

مک‌فارلند می‌گوید: «با توجه به هزینه بالای سلول‌های الکتروشیمیایی و برق مورد نیاز، دستیابی به مجموعه‌ای زنجیره‌وار از واکنش‌های اضافه‌ای که برای تولید الکل‌های پیچیده لازم است، هزینه‌بر است. اگر هزینه برای این شرکت تنها 2 سنت به ازای هر کیلووات ساعت باشد، باز هم نمی‌توانند با سوخت‌های فسیلی رقابت کنند».

به اعتقاد برخی منتقدان، با توجه به هزینه سخت‌افزارها، نیاز به برق و توانمندی کشورهای تولیدکننده نفت در کاهش قیمت سوخت‌های فسیلی، بعید است که استارت‌آپ فوق بتواند از کربن موجود در هوا سوختی بسازد که از نظر قیمت با سوخت‌های موجود قابل رقابت باشد. کافی است کشورهای صادرکننده نفت قیمت‌ها را کاهش دهند تا قیمت سوخت‌هایی مثل بنزین کاهش پیدا کند. مک‌کوی می‌گوید: «چالش اصلی این است که نمی‌توانید با انرژی‌ای که سوخت‌های فسیلی تولید می‌کنند رقابت کنید، مگر این‌که نهادهای دولتی از شما حمایت کنند».

خیلی نزدیک هستیم

مک‌گینیس در پاسخ به ابهامات مطرح‌شده در این زمینه می‌گوید: «وقتی شرکت گواهی کربن خنثا را دریافت کند، فرآیند تجاری‌سازی محصول را آغاز خواهیم کرد. ما روش‌های دیگری برای تایید چگونگی تولید سوخت از جمله از طریق تحلیل کربن در اختیار داریم. اطلاعاتی که در اسناد مخصوص در اختیار سهام‌داران قرار دارد، تنها به اطلاعات کلی اشاره دارد. ما اطلاعات دیگری را به‌صورت شفاهی درباره فناوری خود در جلسه با سهام‌داران ارائه کردیم که برای درک عملکرد دستاورد ما ضروری بود. ما از راه‌حل‌های نوآورانه‌ای استفاده کرده‌ایم که برای آن‌ها درخواست ثبت اختراع داده‌ایم، علاوه بر این، رازهای تجاری داریم که ابتدا باید روند ثبت پتنت‌ها نهایی شود تا بتوانیم در آینده با مردم به‌اشتراک قرار دهیم». 

او در بخش دیگری از صحبت‌های خود به این نکته اشاره دارد: «خیلی ساده است که بگوییم استارت‌آپ‌ها همیشه با شکست روبه‌رو می‌شوند، زیرا در گذشته بیشتر آن‌ها با شکست روبه‌رو شده‌اند، اما فراموش نکنید که برخی از آن‌ها به دستاوردهای بزرگی رسیده‌اند. پرومتئوس به‌لحاظ علمی با هیچ چالشی روبه‌رو نیست، تنها مسئله‌ای که بین ما و عرضه سوخت قرار دارد، بحث تجاری‌سازی در مقیاس بزرگ و مقرون‌به‌صرفه‌ بودن است».