我们如何去除空气中的温室气体？

回答这个问题是减轻全球气候变化破坏性影响的关键一步。 NAU 的一名机械工程师正站在制造一台机器的前线，该机器将部分去除温室气体并创造更清洁的大气。

詹妮弗韦德正在领导两个独立但相关的项目，由美国国家科学基金会和能源部资助，与直接空气捕获有关，即从大气中分离出二氧化碳——最丰富的温室气体 (GHG) ，并将其永久安全地储存起来，而不使用会向空气中贡献额外二氧化碳的化石燃料。美国政府正在优先考虑直接空气捕获，以响应科学发现，即世界正处于不受控制的变暖冲突之中，除非各国立即做出重大改变以阻止进一步的温室气体排放并减少空气污染以消除那些不可避免的温室气体.

事实上，美国领导人设立一个“负碳星球”已经足够重要：能够以每吨 100 美元的价格在每年 100 万吨的规模上去除碳。目前，韦德估计直接空气捕获和储存的首次尝试在每吨 300 至 400 美元之间。韦德说，这是一个崇高的目标，但它是可行的。

“所有这些气候模型都表明，我们必须尽快关闭排放，但关闭温室气体排放不足以保持在不受控制的变暖之下，”她说。 “我们还必须将其从大气中清除，因此我们需要一切来限制变暖，包括去除二氧化碳。”

直接空气捕获是一种二氧化碳去除方法，可直接从大气中去除最丰富的温室气体 CO 2 。它看起来不像真空——更像是一个巨大的风扇，通过一种主要附着二氧化碳的“粘性”材料吹气。最大的问题是如何经济高效地扩大这些粘性材料的规模，如何有效地从材料中释放二氧化碳，以及如何在二氧化碳浓缩后储存二氧化碳——以及如何以尽可能少的天然物质快速有效地完成所有这些工作工作和财政资源。

韦德说，这是气候难题的一个重要部分，尽管不是唯一的部分。社会需要创建更智能的城市、运输和改造我们的能源部门，以便我们燃烧更少的化石燃料，并在合理的气候下种植更多的树木并保护我们在热带气候中拥有的树木。但这还不够。社会需要使用所有可用的工具来应对气候变化并在此过程中创造新的工具。

“我告诉人们的是，我希望它起作用，所以我们不会因为我们别无选择，因为我们别无选择，所以我们不会将气溶胶放入我们的大气中降温，因为我们别无选择，”她说。 “直接空气捕获正在扭转问题的原因，而不是控制症状。”

NSF 资助：混合材料科学和社区参与

这项为期 4 年、价值 170 万美元的赠款建立在研究的基础上，旨在推进直接空气捕获的一些早期商业应用。大多数可以从空气中分离二氧化碳的材料都需要热量来重新释放气体以将其浓缩以进行永久储存。高温热量主要来自燃烧化石燃料，但新的固体吸附剂可以在较低温度下释放二氧化碳。其他研究人员正在寻找可以更有效、更快速地浓缩捕获的碳的替代能源投入。

然而，韦德在亚利桑那州立大学的合作者发现了一种可以通过用水代替热量来释放碳的材料。但是在这一系列材料商业化之前仍然存在一些问题：研究人员并不完全理解为什么材料会对水分产生反应，他们需要找到一种方法来保持水的效率，并在可能的情况下将其回收利用。再利用水。

美国国家科学基金会的资助将允许韦德研究由这类新材料启用的新工艺，并将它们与其他可以将二氧化碳转化为有用的非化石化学品的工艺相结合。她还将研究允许他们使用劣质水的技术，例如含盐含水层或海水。

“我们绝对不想与淡水供应竞争，”她说。 “我们不想解决一个问题并创造另一个问题。”

直接空气捕获系统将需要与分离器接触的土地和安装在陆地上的新可再生能源来运行这些系统。在西南部，特别是在亚利桑那州，大部分空地归拥有主权的土著人民所有。研究人员将与土著人民合作，包括交流工作动机、讨论各种成本以及他们计划如何降低这些成本。并就如何使用捕获的碳进行合作，这可能具有真正的经济价值。例如，Wade 正在与之合作的一家公司使用捕获的二氧化碳来制造乙醇和喷气燃料。

“我们希望部落社区权衡捕获的碳是否有任何价值，如果有，他们希望捕获的碳以什么形式存在？他们希望我们将其永久捕获还是将其转化为商品？”韦德说。

或者，他们可以查看不同类型的投入，并在部落社区重视的事物上对其进行优化，例如处理直接空气捕获过程中使用的水，以便将其重新用于农业。

“当我们优化这些流程时，我们希望根据他们的投入来衡量他们的目标，”她说。 “如果可能的话，我们希望将流程扩展到他们可以拥有和运营的东西，而不是拥有和运营它的大型石油公司。”

美国能源部拨款：找到要问的正确问题

这笔为期三年的 440 万美元赠款是美国能源部 4.5 亿美元支出的一部分，这些支出旨在开发清洁能源技术和低碳制造。 NAU 的文章着眼于用于从空气中提取碳的材料——为什么会发生这个过程，它发生的速度，以及如何制造和使用这些材料来实现直接空气捕获。

九名调查人员，包括来自 NAU 的三名，正在研究这个谜题的不同部分。他们没有测试任何特定的过程或形式的碳捕获材料；他们只是问了很多问题，然后去了科学需要他们的地方。

“我们只是想了解潜在的现象，”韦德说。 “这些对水分敏感的材料在很大程度上仍然是个谜。”

该项目正在研究直接空气捕获过程的几个不同部分，以及它们如何协同工作以提高整个过程的效率。除了 Wade 之外，机械工程教授 Heidi Feigenbaum 将对材料的结构力学进行建模，以研究它们在加载和卸载循环期间如何应变并最终失效，而 Regents 应用物理学和材料科学教授 Miguel José Yacamán 将查看处于其原生“湿”状态的微结构中的材料，并测试它们在温度或湿度水平变化时如何变化。

预期的结果应该有助于研究人员制造更好的材料——无论是捕获更多碳、更容易释放碳、使用寿命更长、制造消耗更少资源的材料，还是以上任何一种组合。所有这些都将使美国更接近其 2030 年的碳捕集目标。