Nowe urządzenie wytwarza amoniak z powietrza i energii wiatru, oferując zrównoważoną alternatywę dla metod zależnych od paliw kopalnych w rolnictwie i zastosowaniach czystej energii.
Powietrze, którym oddychamy, jest kluczem do bardziej zrównoważonego rolnictwa dzięki innowacyjnemu przełomowi dokonanemu przez naukowców z Uniwersytetu Stanforda i Uniwersytetu Ropy Naftowej i Minerałów im. Króla Fahda w Arabia Saudyjska. Stworzyli prototypowe urządzenie, które wykorzystuje energię wiatru do ekstrakcji azotu z powietrza i przekształcania go w amoniak – kluczowy składnik nawozów.
Jeśli metoda ta zostanie w pełni rozwinięta, mogłaby zastąpić tradycyjny proces produkcji amoniaku, stosowany od ponad stulecia. Konwencjonalna metoda łączy azot i wodór pod wysokimi ciśnieniami i temperaturami, zużywając 2% światowej energii i generując 1% rocznej emisji dwutlenku węgla ze względu na jej zależność od gazu ziemnego. To nowe podejście oferuje czystszą i bardziej energooszczędną alternatywę.
Badanie, opublikowane 13 grudnia w Postęp naukiobejmowało pierwszą demonstrację 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 kwas polimeru 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 badaniami chemicznymi 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 rozwój” – 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”.
Odniesienie: „Synteza amoniaku na miejscu z pary wodnej i azotu w powietrzu” autorstwa Xiaowei Song, Chanbasha Basheer, Jinheng Xu i Richard N. Zare, 13 grudnia 2024 r., Postęp nauki.
DOI: 10.1126/sciadv.ads4443
Badanie zostało sfinansowane przez Biuro Badań Naukowych Sił Powietrznych Stanów Zjednoczonych oraz Uniwersytet Ropy Naftowej i Minerałów im. Króla Fahda.
