Команда Массачусетского технологического института (MIT) обосновала выгоды извлечения углекислого газа из морской воды, а не из атмосферы. Данные исследования изложены в работе в журнале Energy & Environmental Science. Практическая демонстрация предложенной технологии будет проведена в течение следующих двух лет. Если всё получится, в мире появится новый вид бизнеса — извлечение CO₂ из морей и океанов на коммерческой основе и без субсидий.

Источник изображения: MIT

Согласно данным МЭА (International Energy Agency) за 2022 год, самые эффективные технологии улавливания углекислого газа из атмосферы требуют около 6,6 ГДж энергии или 1,83 МВт•ч на тонну уловленного CO₂. Значительная часть затраченной на это энергии идёт на поддержание рабочих температур абсорбентов или для работы компрессоров, сжимающих воздух до эффективных величин давления.

По некоторым оценкам, к 2030 году стоимость улавливания тонны CO₂ будет лежать в пределах от $300 до $1000. Сегодня самый высокий налог на выбросы углекислого газа взимается с промышленников Уругвая: $137 за тонну. Эта сумма не покрывает и долго не будет покрывать затраты на извлечение CO₂ из атмосферы, но с морской водой всё может быть иначе, уверены в MIT.

Углекислый газ выгоднее извлекать из морской воды хотя бы потому, что его концентрация там в 100 раз больше, чем в воздухе. Океаны и моря являются естественными абсорбентами CO₂. Утверждается, что морские воды поглощают 30–40 % от ежегодных выбросов углерода человечеством. Ранее были предложены способы извлечения углекислого газа из воды, но они требовали либо дорогих мембран для фильтрации, либо постоянной подачи химических реагентов.

В предложенной учёными MIT системе морская вода проходит через две камеры. В первой камере пропущенный по электродам ток насыщает жидкость протонами и подкисляет её, превращая растворенные неорганические бикарбонаты в углекислый газ. В камере с вакуумом происходит дегазация жидкости и извлечение углекислого газа. Во второй камере обратная полярность на электродах заставляет протоны оседать на электрических контактах и это подщелачивает воду, после чего её сбрасывают в океан.

По мере истощения электродов в первой камере и насыщения ими протонами во второй полярность приложенного напряжения в камерах меняется и воду с тем же результатом можно прокачивать в обратной последовательности — забирать второй камерой и выбрасывать из первой — с тем же эффектом извлечения CO₂. Затем процесс снова повторяется в обратной последовательности. В конечном итоге это приводит к загрязнению электродов осадочными минералами, но это решаемая проблема.

Наконец, предложенный процесс позволяет возвращать в океан воду с щелочным балансом, что будет хорошо для экологии. Океан закисляется — это уже привело, например, к гибели коралловых рифов и ряда морской живности.

Учёные не скрывают, что для реализации проекта придётся ещё много работать. Готового проекта по предложению нет, но это всё решаемые задачи и бояться их нечего. В конечном итоге учёные надеются снизить стоимость извлечения углекислого газа из морской воды до $56 за тонну или около того. Это станет толчком к коммерциализации данного направления.

Всё идёт к тому, что закон Мура скоро закончит своё действие, поскольку наука и промышленность подошли к границе, дальше которой транзистор уменьшать нельзя. Во всяком случае, это нельзя делать на кремнии. Другое дело новый класс двумерных материалов атомарной толщины, который может позволить продлить работу закона Мура. В MIT уверяют, что нашли способ массового выпуска таких материалов.

Источник изображения: MIT

До сих пор производство двумерных материалов было фактически ручной работой в процессе отшелушивания слоёв, осаждённых на специальные подложки. Размеры плёнок варьировались, как и их качество, а вырастить монокристаллическую структуру на кремнии вообще представлялось невозможным. Идеальных для выращивания двумерных материалов сапфировых подложек на все задачи не напасёшься и, к тому же, это не везде применимо.

«Но никто не использует сапфир в индустрии памяти или логики, — говорит один из ведущих авторов исследования. — Вся инфраструктура основана на кремнии. Для обработки полупроводников необходимо использовать кремниевые пластины». Учёные из Массачусетского технологического института и их коллеги из других университетов США и Южной Кореи решили эту проблему.

Исследование показало, что идеальные монокристаллические двумерные материалы можно вырастить на обычной промышленной кремниевой подложке методом «неэпитаксиального, монокристаллического роста». Для этого на кремниевую пластину нанесли маску, разделив её на отдельные «карманы», после чего провели обычную процедуру осаждения материала из газовой фазы. Выяснилось, что в каждом кармане сформировалась идеально ориентированная монокристаллическая среда толщиной в один атом.

Для пробы учёные создали транзистор на одном из таких карманов, и он работал. Более того, поверх уже созданной тончайшей плёнки можно ещё раз нанести маску и осадить атомарный слой другого материала, что ведёт к появлению многослойных структур из 2D-материалов. Подчеркнём, всё это возможно на обычных кремниевых пластинах.

«Мы ожидаем, что наша технология может позволить разработать высокопроизводительные электронные устройства нового поколения на основе двумерных полупроводников, — уверяют исследователи. — Мы открыли способ догнать закон Мура, используя двумерные материалы».