Andrea Willige

النيتروجين هو لبنة أساسية للحياة. إنه ضروري للبروتينات والأحماض النووية والكلوروفيل التي تدعم الكائنات الحية. تشير التقديرات إلى أن الأسمدة النيتروجينية تدعم حوالي نصف سكان العالم، وتعزز نمو النباتات وغلة المحاصيل لإطعام عدد متزايد من سكان العالم.

ومع ذلك، فإن الطريقة الحالية لاستخراج وتحويل النيتروجين صناعياً، “تثبيت النيتروجين”، تستهلك الكثير من الطاقة والكربون، مما أدى إلى دفعة عالمية نحو بدائل أكثر صداقة للبيئة.

لقد أطلق المنتدى الاقتصادي العالمي للتو على تثبيت النيتروجين الأخضر اسم واحدة من أفضل 10 تقنيات ناشئة لعام 2025.

ما هو تثبيت النيتروجين، وكيف يحدث؟

في حين أن النيتروجين يشكل 78٪ من الغلاف الجوي للأرض، إلا أن النيتروجين الجوي “N2” خامل، غير تفاعلي، وبالتالي غير قابل للاستخدام من قبل النباتات. يجب “تثبيته” عن طريق تحويله إلى أمونيا قبل أن تتمكن النباتات من امتصاصه، وهو سوق من المتوقع أن ينمو بمعدل يقارب 80٪ ويصل إلى أكثر من 44 مليار دولار بحلول عام 2032.

في الطبيعة، يحدث هذا من خلال التعايش الطبيعي بين النباتات والبكتيريا المثبتة للنيتروجين. لتعزيز جهود الطبيعة وزيادة نمو النباتات وغلاتها، يجب تثبيت النيتروجين كيميائيًا على نطاق واسع.

تنتج الغالبية العظمى من الأمونيا لصناعة الأسمدة من خلال عملية هابر-بوش، التي تم تطويرها منذ أكثر من قرن. تجمع هذه الطريقة بين النيتروجين الجوي والهيدروجين تحت درجات حرارة عالية “حوالي 500 درجة مئوية” وضغوط “أعلى من 100 بار” في تفاعل تحفيزي.

لماذا تعتبر طرق تثبيت النيتروجين الحالية ضارة بالبيئة؟

في حين أنها ساعدت في إطعام العالم، إلا أن عملية هابر-بوش هي واحدة من أكثر العمليات الصناعية كثافة في استهلاك الطاقة، حيث تستهلك ما بين 1٪ و 2٪ من الطاقة العالمية. معظم هذه الطاقة ضرورية لإنتاج الهيدروجين من الغاز الطبيعي، وهو وقود أحفوري.

يترجم هذا إلى انبعاثات كبيرة من غازات الاحتباس الحراري.. تركيب الأمونيا مسؤول عن 1.5٪ من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون العالمية ويولد أيضًا أكسيد النيتروز “N2O”، وهو غاز قوي من غازات الاحتباس الحراري يتم إطلاقه عند وضع الأسمدة في الحقول. يتمتع N2O بقدرة على إحداث الاحترار العالمي تبلغ حوالي 300 ضعف قدرة ثاني أكسيد الكربون.

ومع ذلك، لمواصلة إطعام سكان العالم المتجهين نحو 10 مليارات بحلول عام 2050، فإن الحاجة إلى النيتروجين المثبت ستزداد فقط.

تظهر الآن تقنيات جديدة، واعدة بجعل تثبيت النيتروجين أكثر استدامة وأقل كثافة في انبعاثات غازات الاحتباس الحراري.

كيف يمكن أن يصبح تثبيت النيتروجين أكثر استدامة؟

تعود بعض الجهود المبذولة “لتخضير” تركيب الأمونيا إلى الأساسيات، بالنظر إلى كيفية تثبيت الطبيعة للنيتروجين باستخدام البكتيريا. من خلال هندسة البكتيريا التي يمكنها تثبيت النيتروجين بشكل أكثر فعالية، يمكن إقران المحاصيل بشركائها المثبتين للنيتروجين. يمكن أن يؤدي هذا في النهاية إلى القضاء على الحاجة إلى الأسمدة الاصطناعية، والانبعاثات المرتبطة بها.

مرشح غير محتمل على ما يبدو في هذا السياق هو عدس الماء، الذي ينمو في البرك والمستنقعات. إنه غني بالبروتين ويمكن أن يتضاعف في الكتلة كل يومين. تقوم شركة Fyto الناشئة بزراعة عدس الماء في برك ضحلة من مياه الصرف الغنية بالنيتروجين من مزارع الألبان. بمجرد حصاده، يمكن استخدام عدس الماء مباشرة كعلف للماشية أو تحويله إلى سماد مستدام.

تركز جهود أخرى على الاختزال الكهروكيميائي للنيتروجين باستخدام التحفيز الكهربائي مع الليثيوم، وتحديث عملية هابر-بوش للعمل مع المواد الأولية المتجددة.

يرتبط إزالة الكربون من إنتاج الأمونيا أيضًا بحملة عالمية لإزالة الكربون من تركيب الهيدروجين، وهو الجزء الأكثر كثافة في استهلاك الطاقة والانبعاثات في العملية. يمكن الحصول على الهيدروجين “الأخضر” الخالي من الكربون من التحليل الكهربائي للماء، باستخدام الطاقة المتجددة أو النووية لتقسيم الماء بدلاً من الغاز الطبيعي. لإزالة الكربون من مرافق الوقود الأحفوري الحالية، يمكن لتكنولوجيا احتجاز الكربون عزل ثاني أكسيد الكربون قبل دخوله الغلاف الجوي.

ومع ذلك، على الرغم من زخم السياسات العالمية، إلا أن كلتا الطريقتين تمثلان حاليًا حصة ضئيلة من الإنتاج الإجمالي.

ما هي البدائل الأخرى لتثبيت النيتروجين؟

بالإضافة إلى الابتكار التكنولوجي، يمكن للممارسات الزراعية المحسنة والمستدامة أن تساعد أيضًا في تقليل التأثير البيئي لتثبيت النيتروجين.

تتمتع البقوليات مثل البازلاء والفاصوليا والعدس ببعض من أعلى معدلات التثبيت. يمكن أن يساعد تدوير هذه المحاصيل مع المحاصيل التي تثبت كميات أقل من النيتروجين في إثراء التربة وتقليل الحاجة إلى الأسمدة.

يمكن أن تساهم الزراعة الدقيقة أيضًا بشكل كبير في تقليل التأثير البيئي لتثبيت النيتروجين. يمكن أن تساعد الرؤى والتقنيات القائمة على البيانات في تطبيق الكمية المناسبة من الأسمدة في الوقت المناسب. يمكن تقليل الكميات المنتشرة، مما يزيل الهدر ويحد من الضرر البيئي، من انبعاثات غازات الاحتباس الحراري إلى تحمض التربة الناتج عن المستويات العالية من النيتروجين المحتفظ به.

ما الذي يحمله المستقبل لتثبيت النيتروجين؟

يقع تخضير تثبيت النيتروجين على مفترق طرق الأمن الغذائي والعمل المناخي والتنمية المستدامة.

نظرًا لأن الهيدروجين والأمونيا الخضراء مهيأة لإزالة الكربون من الشحن وتوليد الطاقة على نطاق واسع، فمن المرجح أن يدفع الزخم المتولد هنا أيضًا انتقال صناعة الأسمدة. بمجرد طرح هذه الأساليب الجديدة وغيرها في هذا المجال، فإنها تعد بمعالجة الطلب المتزايد على الغذاء بشكل أكثر كفاءة واستدامة.

إعداد: وحدة الترجمات بمركز سمت للدراسات
المصدر: World Economic Forum