Nowe prototypowe urządzenie demonstruje innowacyjne podejście do produkcji amoniaku – kluczowego składnika nawozów – które mogłoby przekształcić przemysł odpowiedzialny za około jedną trzecią światowych emisji gazów cieplarnianych.
Powietrze wokół nas zawiera skuteczne rozwiązanie, dzięki któremu rolnictwo będzie bardziej zrównoważone. Naukowcy z Uniwersytetu Stanforda i Uniwersytetu Nafty i Minerałów im. Króla Fahda w Arabii Saudyjskiej opracowali prototypowe urządzenie, które może wytwarzać amoniak – kluczowy składnik nawozów – wykorzystując energię wiatru do przeciągania powietrza przez siatkę. Opracowane przez nich podejście, jeśli zostanie udoskonalone, może wyeliminować potrzebę stosowania stuletniej metody wytwarzania amoniaku w drodze łączenia azotu i wodoru pod wysokim ciśnieniem i temperaturą. Starsza metoda zużywa 2% światowej energii i generuje 1% rocznej emisji dwutlenku węgla w wyniku wykorzystania gazu ziemnego.
Badanie, opublikowane 13 grudnia w czasopiśmie Science Advances, obejmowało pierwszą demonstrację tej technologii na miejscu, a nie w laboratorium. Naukowcy przewidują, że pewnego dnia urządzenie zostanie zintegrowane z systemami nawadniającymi, co umożliwi rolnikom wytwarzanie nawozów bezpośrednio z powietrza.
„Ten przełom pozwala nam wykorzystać azot z naszego powietrza i w sposób zrównoważony produkować amoniak” – powiedział starszy autor badania Richard Zare, profesor nauk przyrodniczych Marguerite Blake Wilbur w Stanford School of Humanities and Sciences. „To znaczący krok w kierunku zdecentralizowanego i przyjaznego dla środowiska podejścia do rolnictwa”.
Czystsza alternatywa
Przygotowując się do zaprojektowania urządzenia, naukowcy zbadali, jak różne czynniki środowiskowe – takie jak wilgotność, prędkość wiatru, poziom soli i kwasowość – wpływają na produkcję amoniaku. Przyjrzeli się także, jak wielkość kropelek wody, stężenie roztworu i kontakt wody z materiałami nierozpuszczalnymi w wodzie wpływają na proces. Na koniec przetestowali najlepszą mieszankę tlenku żelaza i polimeru kwasowego z fluorem i siarką, aby określić idealne warunki do produkcji amoniaku i zrozumieć, w jaki sposób te materiały katalityczne oddziałują z kropelkami wody.
Proces opracowany przez zespół ze Stanford umożliwia wytwarzanie amoniaku w sposób czysty i niedrogi, a także wykorzystuje otaczające powietrze do pozyskiwania azotu i wodoru z pary wodnej. Przepuszczając powietrze przez siatkę pokrytą katalizatorami w celu ułatwienia niezbędnej reakcji, naukowcy wytworzyli wystarczającą ilość amoniaku o wystarczająco wysokim stężeniu, aby służyć jako nawóz hydroponiczny w szklarniach. W przeciwieństwie do tradycyjnych metod, nowa technika działa w temperaturze pokojowej i pod standardowym ciśnieniem atmosferycznym, nie wymagając podłączania do siatki zewnętrznego źródła napięcia. Rolnicy mogą uruchomić przenośne urządzenie na miejscu, eliminując potrzebę zakupu i wysyłki nawozu od producenta.
„Takie podejście znacznie zmniejsza ślad węglowy powstający przy produkcji amoniaku” – stwierdziła główna autorka badania Xiaowei Song, naukowiec zajmujący się chemią na Uniwersytecie Stanforda.
W eksperymentach laboratoryjnych zespół wykazał dalszy potencjał poprzez recykling wody przez system zraszania, osiągając stężenia amoniaku wystarczające do nawożenia roślin uprawianych w szklarni już po dwóch godzinach. Dzięki zastosowaniu filtra wykonanego z mikroporowatego materiału kamiennego podejście to mogłoby wytworzyć ilość amoniaku wystarczającą do szerszych zastosowań w rolnictwie.
Przyszłość bez paliw kopalnych
Według współautorki badania, Chanbashy Basheer z Uniwersytetu Nafty i Minerałów im. Króla Fahda, urządzenie będzie gotowe do wprowadzenia na rynek za dwa do trzech lat. W międzyczasie badacze planują wykorzystywać coraz większe systemy siatkowe do produkcji większej ilości amoniaku. „Jest dużo miejsca na rozwinięcie tej kwestii” – powiedział Basheer.
Znaczenie amoniaku wykracza poza nawozy. Jako czysty nośnik energii może magazynować i transportować energię odnawialną efektywniej niż gazowy wodór ze względu na większą gęstość energii. Ta innowacja sprawia, że amoniak staje się podstawą w branżach dekarbonizacyjnych, takich jak transport i wytwarzanie energii.
„Zielony amoniak stanowi nową granicę w zakresie zrównoważonego rozwoju” – powiedział Zare. „Ta metoda, jeśli można ją zwiększyć pod względem ekonomicznym, mogłaby drastycznie zmniejszyć naszą zależność od paliw kopalnych w wielu sektorach”.
Badanie zostało sfinansowane przez Biuro Badań Naukowych Sił Powietrznych Stanów Zjednoczonych oraz Uniwersytet Ropy Naftowej i Minerałów im. Króla Fahda.