تولید سوخت جت ۱۰۰ درصد پایدار از پسماند گیاهی

به گزارش خبرنگار خبرگزاری علم و فناوری آنا، گروهی از دانشمندان  MIT در حال کار روی تبدیل «لیگنین»، یک محصول پسماند گیاهی، با استفاده از یک کاتالیزور جدید به سوخت ۱۰۰ درصد پایدار هوانوردی است. این پیشرفت می‌تواند صنعت هوانوردی را با ارائه یک جایگزین سوخت تجدیدپذیر متحول کند.

حمل و نقل حدود یک چهارم از انتشار دی اکسید کربن جهان در سال ۲۰۲۱ را به خود اختصاص می‌دهد که بخش مهمی از آن ناشی از صنعت هوانوردی بوده است.

اگرچه استفاده روزافزون از وسایل نقلیه برقی به پاکسازی حمل و نقل زمینی کمک می‌کند، اما باتری‌های امروزی توان رقابت با هیدروکربن‌های مایع مشتق شده از سوخت فسیلی که انرژی بسیار بیشتری تولید می‌کنند، ندارند و از این رو هنوز به صنعت پرواز و هوانوردی وارد نشده اند.

در همین حال، بر اساس رشد پیش بینی شده در افزایش سفر‌های هوایی، پیش‌بینی می‌شود مصرف سوخت جت از هم‌اکنون تا سال ۲۰۵۰ دو برابر شود؛ سالی که صنعت هوانوردی بین‌المللی متعهد شده است انتشار کربن را به صفر برساند.

بسیاری از دانشمندان تولید سوخت هیدروکربنی ۱۰۰ درصد پایدار را برای هواپیما‌ها هدف قرار داده‌اند، اما تاکنون موفقیت چندانی حاصل نشده است. بخشی از چالش نظارت بسیار جدی بر سوخت‌های هوانوردی است.

«یوری رومان لشکوف» استاد مهندسی شیمی در MIT می‌گوید: سوخت جت از نظر شیمی و خواص فیزیکی الزامات بسیار خاصی دارد، زیرا شما نمی‌توانید در موتور هواپیما دست به ریسک بزنید. وقتی در ارتفاع سی هزار فوتی پرواز می‌کنید، هوای بیرون بسیار سرد است و نمی‌خواهید سوخت غلیظ شده یا یخ بزند. به همین دلیل است که فرمول آن بسیار خاص است.

ترکیب سوخت هوانوردی

سوخت هواپیما ترکیبی از دو دسته بزرگ از ترکیبات شیمیایی است. حدود ۷۵ تا ۹۰ درصد آن از مولکول‌های «آلیفاتیک» تشکیل شده است که از زنجیره‌های بلندی از اتم‌های کربن به هم مرتبط هستند.

رومان لشکوف توضیح می‌دهد: این مشابه چیزی است که در سوخت‌های دیزل پیدا می‌کنیم، بنابراین یک هیدروکربن کلاسیک  در آنجا وجود دارد. ۱۰ تا ۲۵ درصد باقیمانده از مولکول‌های آروماتیک یا معطر تشکیل می‌شود که هر یک شامل حداقل یک حلقه است که از شش اتم کربن متصل به هم تشکیل شده است.

در بیشتر سوخت‌های حمل و نقل، هیدروکربن‌های معطر به عنوان منبع آلودگی در نظر گرفته می‌شوند، بنابراین تا آنجا که ممکن است حذف می‌شوند.

با این حال، در سوخت‌های هواپیمایی، برخی از مولکول‌های معطر باید باقی بمانند، زیرا آن‌ها خواص فیزیکی و احتراق لازم را برای مخلوط کلی تنظیم می‌کنند. آن‌ها همچنین یک کار مهم دیگر را انجام می‌دهند: تضمین استحکام اجزای مختلف در سیستم سوخت هواپیما. مواد معطر جذب اتصالات پلاستیکی می‌شوند و آن‌ها را متورم می‌کنند. اگر بنا به دلایلی سوخت تغییر کند، این اتصالات نیز تغییر می‌کنند و این بسیار خطرناک است.

در نتیجه، آروماتیک‌ها یک جزء ضروری هستند، اما در عین حال مانعی بر سر راه تولید سوخت‌های هوایی پایدار یا SAF‌ها نیز محسوب می‌شوند. شرکت‌ها می‌دانند که چگونه بخش آلیفاتیک را از قسمت‌های غیرخوراکی گیاهان و سایر انرژی‌های تجدیدپذیر بسازند، اما هنوز روش تایید شده‌ای برای تولید بخش معطر از منابع پایدار ایجاد نکرده‌اند.

رومان لشکوف می‌گوید: در نتیجه، یک «دیوار ترکیبی» وجود دارد. از آنجایی که به آن محتوای معطر نیاز داریم - صرف نظر از منبع آن همیشه محدودیتی در مورد مقدار هیدروکربن‌های آلیفاتیک پایدار که می‌توانیم بدون تغییر خواص مخلوط استفاده کنیم وجود خواهد داشت.

برای توضیح دیوار ترکیبی می‌توان به بنزین اشاره کرد: ما مقدار زیادی اتانول داریم، اما در حقیقت نمی‌توانیم بیش از ۱۰ درصد بدون تغییر خواص بنزین، اتانول اضافه کنیم.

محققان بر روی لیگنین متمرکز شدند: ماده‌ای سخت که به گیاهان حمایت ساختاری و محافظت در برابر میکروب‌ها و قارچ‌ها می‌دهد. حدود ۳۰ درصد کربن موجود در زیست توده، در لیگنین مشاهده می‌شود. با این حال وقتی اتانول از زیست توده تولید می‌شود، لیگنین به عنوان یک محصول زائد باقی می‌ماند.

با وجود تلاش‌های بسیار، تا کنون هیچ راه مقرون‌به‌صرفه و مقیاس‌پذیر برای تبدیل لیگنین به محصولات مفید، از جمله مولکول‌های معطر مورد نیاز برای پایدار کردن ۱۰۰ درصدی سوخت جت، پیدا نشده است.

دلیل آن مقاومت شیمیایی لیگنین است. ایجاد واکنش شیمیایی به روش‌های مفید دشوار است. در نتیجه، هر ساله میلیون‌ها تن پسماند لیگنین به شکل سوخت با درجه پایین سوزانده شده، به عنوان کود استفاده شده یا به سادگی دور ریخته می‌شود.

اکنون محققان با ابداع یک کاتالیزور با استفاده از کاربید مولیبدن، لیگنین را به یک ترکیب شیمیایی پایدار تبدیل کرده‌اند که قابلیت استفاده در سوخت جت را دارد.

رومان لشکوف می‌گوید: وقتی شیمی خود را با کاتالیزور کاربید مولیبدن انجام می‌دهیم، کل بازده کربن ما تقریباً ۸۵ درصد از بازده کربن نظری است.

در اکثر فرآیند‌های تبدیل لیگنین، بازده کربن بسیار پایین و در حدود ۱۰ درصد است. به همین دلیل است که جامعه کاتالیزور در مورد نتایج ما بسیار هیجان زده شد، زیرا مردم بازده کربن را به اندازه آن‌هایی که ما با این کاتالیزور تولید می‌کنیم ندیده بودند.

یک سوال کلیدی باقی می‌ماند: آیا ترکیبی از اجزای تشکیل شده دارای خواص مورد نیاز برای سوخت هواپیما هست یا خیر. رومان لشکوف می‌گوید: وقتی با این بستر‌های جدید برای تولید سوخت‌های جدید کار می‌کنیم، ترکیبی که ایجاد می‌کنیم با سوخت استاندارد هواپیما متفاوت است. تا زمانی که دارای خواص دقیق مورد نیاز نباشد، واجد شرایط صدور گواهینامه به عنوان سوخت جت نخواهد بود.

این پژوهشگران با همکاری آزمایشگاه احتراق دانشگاه ایالتی واشنگتن در آزمایش‌های دقیق‌تر برای دریافت گواهینامه سوخت جت به نتایج امیدوار کننده‌ای دست یافته‌اند.

رومان لشکوف و همکارانش اکنون در حال بررسی استفاده از روش خود با انواع دیگر زیست توده، از جمله کاج، علف جایگزین و ذرت (برگ‌ها، ساقه‌ها و بلال‌های باقی‌مانده پس از برداشت ذرت) هستند. با این حال، نتایج آن‌ها با زیست توده صنوبر امیدوارکننده است.

رومان لشکوف می‌گوید: اگر آزمایش‌های بیشتر تأیید کند که محصولات معطر آن‌ها می‌تواند جایگزین مواد معطر در حال حاضر در سوخت جت شود، ممکن است دیوار ترکیبی از بین برود. ما ابزاری برای تولید تمام اجزای سوخت هواپیما از مواد تجدیدپذیر خواهیم داشت که به‌طور بالقوه منجر به سوخت هواپیما صد در صد پایدار خواهد شد.