Qiming Wang

يستلهم النهج الجديد للبناء الكربوني السلبي من قدرة الشعاب المرجانية الطبيعية في المحيط على إنشاء هياكل قوية عن طريق عزل ثاني أكسيد الكربون.

تُظهر المركبات المعدنية-البوليمرية الناتجة قوة ميكانيكية استثنائية، ومتانة ضد الكسر، وقدرات مقاومة للحريق.

قال تشيمينغ وانغ، الأستاذ المساعد في الهندسة المدنية والبيئية بكلية فيتربي للهندسة بجامعة جنوب كاليفورنيا: “هذه خطوة محورية في تطور تحويل ثاني أكسيد الكربون”.

“على عكس تقنيات احتجاز الكربون التقليدية التي تركز على تخزين ثاني أكسيد الكربون أو تحويله إلى مواد سائلة، وجدنا أن عملية التصنيع الكهروكيميائية الجديدة هذه تحول المركب الكيميائي إلى معادن كربونات الكالسيوم في سقالات بوليمرية مطبوعة ثلاثية الأبعاد.”

دور الشعاب المرجانية في التصنيع الكربوني السلبي

تركز تقنيات احتجاز الكربون الحالية عمومًا على تخزين ثاني أكسيد الكربون أو تحويله إلى مواد سائلة. ومع ذلك، فإن هذا مكلف وغير فعال بشكل عام.

توفر هذه الطريقة الجديدة للبناء الكربوني السلبي حلاً أقل تكلفة من خلال دمج احتجاز الكربون مباشرة في مواد البناء.

وقد استلهمت هذه الطريقة مباشرة من كيفية بناء المرجان لهياكله الهيكلية من الأراجونيت، والمعروفة باسم الشعاب المرجانية.

في الطبيعة، يبني المرجان الشعاب المرجانية من خلال عملية تسمى التمعدن الحيوي، حيث يعزل المرجان ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي عن طريق عملية التمثيل الضوئي. ثم يجمع المركب الكيميائي مع أيونات الكالسيوم من مياه البحر لترسيب معادن الكالسيوم حول القوالب العضوية.

قام فريق البحث بتكرار هذه العملية عن طريق إنشاء سقالات بوليمرية مطبوعة ثلاثية الأبعاد تحاكي القوالب العضوية للشعاب المرجانية.

ثم قاموا بتغطيتها بطبقة رقيقة موصلة. بعد ذلك، تم توصيل هذه الهياكل المغطاة بالدوائر الكهروكيميائية ككاثودات وغمرها في محلول كلوريد الكالسيوم.

عندما تمت إضافة ثاني أكسيد الكربون إلى المحلول، خضع للتحلل المائي ليتم تفكيكه إلى أيونات بيكربونات. تفاعلت هذه الأيونات مع الكالسيوم في المحلول لتكوين كربونات الكالسيوم، التي ملأت المسام المطبوعة ثلاثية الأبعاد تدريجياً.

وقد أدى ذلك إلى المنتج النهائي، وهو مركب كثيف من المعدن والبوليمر.

فوائد المواد المقاومة للحريق

كانت السمة الأكثر إثارة للدهشة في المادة المركبة التجريبية هي تفاعلها مع الحريق.

بينما تفتقر السقالات البوليمرية المطبوعة ثلاثية الأبعاد إلى خصائص مقاومة الحريق المتأصلة، حافظت المركبات المعدنية على سلامتها الهيكلية تحت اختبارات اللهب التجريبية لفريق البحث.

قال وانغ: “كشفت طريقة التصنيع الكربوني السلبي عن آلية طبيعية لإخماد الحرائق لمدة 30 دقيقة من التعرض المباشر للهب”.

“عند التعرض لدرجات حرارة عالية، تطلق معادن كربونات الكالسيوم كميات صغيرة من ثاني أكسيد الكربون يبدو أن لها تأثيرًا مثبطًا للحريق.”

“توفر ميزة الأمان المدمجة هذه مزايا كبيرة لتطبيقات البناء والهندسة حيث تكون مقاومة الحريق أمرًا بالغ الأهمية.”

بالإضافة إلى مقاومة الحريق، يمكن إصلاح الهياكل المصنعة المتشققة عن طريق توصيلها بالكهرباء ذات الجهد المنخفض. يمكن للتفاعلات الكهروكيميائية إعادة ربط الواجهات المتشققة واستعادة القوة الميكانيكية.

مستقبل البناء الكربوني السلبي

بعد تقييم صارم لدورة الحياة، وجد الباحثون أن طريقة التصنيع تتميز ببصمة كربونية سلبية، مما يكشف أن احتجاز الكربون تجاوز انبعاثات الكربون المرتبطة بالتصنيع والعمليات.

كما أظهر الباحثون كيف يمكن تجميع المركبات المصنعة في هياكل أكبر باستخدام نهج معياري، مما يخلق هياكل كبيرة حاملة للأحمال. يمكن استخدام المواد المركبة في البناء وتطبيقات أخرى تتطلب مقاومة ميكانيكية عالية.

وخلص وانغ إلى أن الباحثين يخططون للتركيز على تسويق التكنولوجيا الحاصلة على براءة اختراع.

مع كون مواد البناء والتشييد مسؤولين عن حوالي 11% من انبعاثات الكربون العالمية، فإن طريقة التصنيع الكربونية السلبية الجديدة للدراسة تمهد الطريق لإمكانية وجود مبانٍ كربونية سلبية.

إعداد: وحدة الترجمات بمركز سمت للدراسات
المصدر: Innovation News Network