Για μια χώρα με ισχυρό αγροτικό τομέα όπως η Ελλάδα, το λίπασμα είναι ζωτικής σημασίας συστατικό της παραγωγής τροφίμων — και πίσω από αυτό βρίσκεται η αμμωνία. Η ουσία αυτή παράγεται σήμερα κατά κύριο λόγο με μια διαδικασία που στηρίζεται σε ορυκτά καύσιμα, με σημαντικό ενεργειακό και περιβαλλοντικό αποτύπωμα. Τώρα, ερευνητές του MIT παρουσίασαν μια υπολογιστική μέθοδο που θα μπορούσε να επιταχύνει την αναζήτηση νέων καταλυτών, ανοίγοντας τον δρόμο για μια πιο καθαρή, ηλεκτροχημική παραγωγή αμμωνίας που θα μπορούσε κάποτε να αντικαταστήσει τις σημερινές, ρυπογόνες μεθόδους.
- Η παγκόσμια παραγωγή αμμωνίας ευθύνεται για έως και το 2% της κατανάλωσης ενέργειας και περίπου το 1,5% των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου.
- Ερευνητές του MIT ανέπτυξαν μέθοδο που προβλέπει ποια υλικά είναι πιο υποσχόμενα ως καταλύτες για την ηλεκτροχημική παραγωγή.
- Τα ευρήματα δημοσιεύτηκαν στις 11 Αυγούστου στο περιοδικό EES Catalysis της Royal Society of Chemistry.
Γιατί η αμμωνία αφορά και το τραπέζι μας
Η αμμωνία είναι από τα σημαντικότερα χημικά προϊόντα στον κόσμο, δεύτερη σε συνολικό όγκο παραγωγής μόνο μετά το θειικό οξύ. Χρησιμοποιείται κυρίως για την παρασκευή λιπασμάτων, τα οποία είναι απαραίτητα για να τραφεί ο πληθυσμός του πλανήτη. Όπως εξηγεί ο διδακτορικός ερευνητής Constantine Athanitis, «θα χρειαζόμαστε όλο και περισσότερα τρόφιμα, και ο μόνος λόγος που μπορούμε να συντηρήσουμε τόσους ανθρώπους είναι εξαιτίας των λιπασμάτων».
Ο κόσμος καταναλώνει σήμερα περίπου 200 εκατομμύρια μετρικούς τόνους αμμωνίας κάθε χρόνο.
Μια μέθοδος αιώνα με βαρύ αποτύπωμα
Ο παραδοσιακός τρόπος παραγωγής αμμωνίας, σε χρήση για περισσότερο από έναν αιώνα και υπεύθυνος για τη συντριπτική πλειονότητα της παραγωγής, είναι η μέθοδος Haber–Bosch. Αυτή στηρίζεται σε ορυκτά καύσιμα για την παροχή της απαιτούμενης θερμότητας, ενώ και το υδρογόνο που χρησιμοποιείται προέρχεται σε μεγάλο βαθμό από ορυκτά καύσιμα. Πάνω από το 90% της αμμωνίας για λιπάσματα εξακολουθεί να παράγεται με αυτή την ενεργοβόρα διαδικασία, η οποία, όπως λέει ο Athanitis, «έχει βελτιστοποιηθεί υπερβολικά από τότε που πρωτοεμφανίστηκε».
Υπάρχει και ένας άλλος δρόμος: η χρήση ηλεκτροχημείας αντί για θερμότητα και πίεση. Η προσέγγιση αυτή βασίζεται στις ίδιες αρχές με τους ηλεκτρολύτες που χρησιμοποιούν ηλεκτρισμό για να οδηγήσουν χημικές αντιδράσεις. Ωστόσο, μέχρι στιγμής η μέθοδος αυτή απέχει πολύ από το να είναι οικονομικά ανταγωνιστική στις κλίμακες που απαιτούνται. «Οι ρυθμοί παραγωγής και οι αποδόσεις είναι ακόμη πολύ χαμηλοί», σημειώνει ο Athanitis, προσθέτοντας ότι ακόμη κι αν μια τεχνολογία είναι καλύτερη για το κλίμα, δεν θα υιοθετηθεί από τις εταιρείες αν δεν είναι ανταγωνιστική στο κόστος.
Πώς μια εξίσωση αντικαθιστά χρόνια εργαστηριακών δοκιμών
Το κλειδί στην ηλεκτροχημική διαδικασία είναι ο μεταλλικός καταλύτης, οι ιδιότητες του οποίου καθορίζουν πόσο αποδοτικά προχωρά η αντίδραση. Η εύρεση του ιδανικού υλικού, όμως, δεν είναι απλή υπόθεση: υπάρχουν εκατομμύρια πιθανά κράματα και η κλασική έρευνα υλικών γινόταν κατά βάση με δοκιμή και σφάλμα, μια διαδικασία που μπορεί να διαρκέσει χρόνια.
Αντί για τυχαία αναζήτηση, η ομάδα του MIT αξιοποίησε υπολογιστικά εργαλεία. Μια μέθοδος γνωστή ως θεωρία συναρτησιακού πυκνότητας (density functional theory) χρησιμοποιεί την κβαντική μηχανική για να προσομοιώσει τις ιδιότητες και τη συμπεριφορά των υλικών, επιτρέποντας στους ερευνητές να προβλέψουν πώς θα αποδώσουν διαφορετικές ατομικές διατάξεις πριν καν κατασκευαστούν στο εργαστήριο. «Η προσέγγισή μας εντοπίζει τις βασικές φυσικές ιδιότητες που καθορίζουν την καταλυτική δραστικότητα στην παραγωγή αμμωνίας», λέει η Bilge Yildiz, καθηγήτρια στα τμήματα Πυρηνικής Επιστήμης και Μηχανικής και Επιστήμης και Μηχανικής Υλικών.
Οι ερευνητές εστίασαν στα νιτρίδια μεταβατικών μετάλλων, τα οποία θεωρούνται ιδανικό σύστημα υλικών για την αντίδραση. Όπως εξηγεί ο Athanitis, είναι ιδιαίτερα αποτελεσματικά επειδή «το άζωτο που ενυπάρχει στον ίδιο τον καταλύτη γίνεται μέρος της αντίδρασης». Έτσι δημιουργείται μια σειρά χημικών βημάτων, όπου το ένα βήμα παρέχει μέρος της ενέργειας για το επόμενο, μειώνοντας τη συνολική ενέργεια που απαιτείται — γεγονός που βοηθά να ξεπεραστεί ένα από τα βασικά εμπόδια, δηλαδή η μεγάλη ενέργεια που χρειάζεται για να σπάσουν οι ισχυροί δεσμοί των μορίων αζώτου.
Πρακτικά, αυτό σημαίνει ότι η αναζήτηση καλύτερων υλικών θα μπορούσε να επιταχυνθεί σημαντικά, καθοδηγώντας τους ερευνητές προς τις πιο υποσχόμενες ενώσεις πριν δαπανηθεί χρόνος σε εργαστηριακές δοκιμές. Αν η ηλεκτροχημική μέθοδος καταστεί κάποτε ανταγωνιστική, το όφελος για τους αγρότες και τις οικονομίες που εξαρτώνται από τη γεωργία θα μπορούσε να είναι ένα φθηνότερο και λιγότερο ρυπογόνο εφόδιο παραγωγής τροφίμων.
Πιστεύετε ότι οι πράσινες μέθοδοι παραγωγής λιπασμάτων μπορούν να στηρίξουν τον ελληνικό αγροτικό τομέα; Μοιραστείτε τη γνώμη σας.
