CO2 kan gjenvinnes

[Wall Dorf]

 

Karbondioksid eller CO2, er et svært stabilt gassmolekyl. Derfor er det utfordrende å få den til å reagere kjemisk og bli til noe annet. Forskere forsøker likevel.

Inspirert av grønne planter

Joakim Jestilä er stipendiat ved Kjemisk institutt på Universitetet i Oslo, og han har latt seg inspirere av hvordan plantene utnytter CO2.

I fotosyntesen tar plantene opp gassen via bladene og bruker sollys og vann til å omdanne den til oksygen og sukker. Alternativt kan man si at plantene lagrer solenergi i sukkermolekyler.

Det er plantenes evne til å ta opp CO2 som er en av grunnene til at skogplanting har vært foreslått som tiltak mot CO2-utslippene.

Det er mange som forsker på muligheten for å lage kunstig fotosyntese, men så langt er ikke forskerne helt sikre på nøyaktig hvordan selve prosessen foregår.

Å lage sukker er grunnleggende kjemi

Magnesium er et av de sentrale grunnstoffene som bidrar til å gjøre CO2 til sukker i fotosyntesen.

Magnesium befinner seg nest ytterst til venstre i periodesystemet. De to kolonnene ytterst til venstre kalles for alkalimetaller og jordalkalimetaller. Jestilä ser for seg at det finnes en kjemisk løsning på CO2-utfordringen blant disse grunnstoffene.

– Det har vært forsket en god del på å omdanne CO2. Forskere har sett mest på overgangsmetallene midt i periodesystemet i denne sammenhengen. Det er trolig fordi de er fleksible med tanke på hvilke forbindelser de inngår i, men det er fremdeles mange metaller som er uutforsket, forklarer han.

– Grunnen til at jeg valgte alkali- og jordalkalimetallene er at disse er blant de mest vanlige grunnstoffene i jordsmonn og hav – ikke minst er disse metallene effektive for omdannelsen av CO2.

Karbonatomet er fornøyd med to oksygen atomer

For å omdanne CO2 er man nødt til å redusere det, det vil si at et annet stoff må gi fra seg elektroner. Problemet er at karbonatomet er veldig fornøyd med å være karbondioksid. Det er mulig å få karbonet i CO2 til å ta opp alt fra en til åtte elektroner.

– Jeg har jobbet med enkle modeller som typisk involverer et par CO2-molekyler og et metall-ion. Jeg har stort sett jobbet med ioner som betyr at de enten har et elektron eller flere for mye eller for lite, når de sammenlignes med de nøytrale forbindelsene, forklarer Jestilä.

I hans forsøk har han sett på eksperimenter og deretter laget modeller av det samme.

Gjør eksperimentet baklengs

Først har han sett på hvilke produkter det er mulig å lage ut ifra CO2. Det er litt som å ta CO2 som legokloss og se hvor mange forskjellige og nyttige ting du kan lage med det som utgangspunkt.

Deretter har han gått baklengs inn i kjemien ved å knuse produktene og se hvilke bestanddeler de består av.

Det er litt som å ha en legobil og så knuse den for å se hvilke sammenhengende biter du får igjen. Er noen av bitene de samme som du startet med? Hvis det er tilfelle, er det enklere å bruke nettopp den byggeklossen for å lage det produktet du vil ha.

Til slutt har Jestilä modellert hvordan det er mulig å gå motsatt vei, fra de enkleste byggesteinene og tilbake igjen til det ønskede produktet. Sett med legoøyne blir det å sette legobilen sammen igjen i tankene ved hjelp av de brikkene som ble resultatet av knuseeksperimentet.

Ved å se på prosessen på denne måten er det mulig å se direkte på hva som hindrer prosessen i å skje, hva som kan gjøre den mer effektiv.

Fordelen med å starte i feil ende er at man da kjenner til produktene og kan derfor skreddersy prosessene som fører til akkurat disse, slik at de kun bruker de enkle byggeklossene som de består av.

Dette gjør at den kjemiske prosessen heller ikke produserer noe særlig avfall, da alle byggeklossene går med til å lage produktet.

Leie karbonatomet gjennom prosessen

Et av produktene Jestilä har sett på, er det kjemiske stoffet oksalat (C2O42−). Når en går baklengs inn i kjemien ser man at oksalat består av to CO2-molekyler som begge er redusert med et elektron hver, som her har blitt donert fra et metall-ion.

Se for deg at elektronene som metallet donerer, går med på å danne en kjemisk binding mellom karbonatomene som holder fast i hvert av CO2-molekylene. Metallet på sin side er med på å stabilisere det reduserte produktet, da det selv har fått en positiv ladning etter å ha gitt fra seg to elektroner.

Jestilä har blant annet sett på hvilke metaller som er mest effektive for å kunne danne oksalat fra CO2. Noen metaller er mer villige til å gi fra seg elektroner enn andre, og det har betydning for hvor lett, eller effektivt, prosessen kan skje, og hvor stabilt resultatet blir.

I tillegg spiller metallet en rolle for dannelsen av alternative produkter fra CO2 som for eksempel karbonmonoksid (CO) eller karbonater (CO32−).

Oksalat er et steg i riktig retning

Tanken er at noen av disse enkle produktene kan brukes videre i kjemisk syntese for å lage materialer og kjemikalier, eller til og med drivstoffer, så lenge energien som benyttes ikke fører til CO2-utslipp. Dannelse av drivstoffer fra CO2 kan sammenlignes med måten fotosyntesen lagrer solenergi i sukker, som på sin side er drivstoff for levende celler, forteller Jestilä.

Med andre ord kan oksalat være en slags nøkkelbrikke for å bruke CO2 i flere kjemiske prosesser. Hvis metallene som er undersøkt, bidrar til at CO2 kan brukes for å lage oksalat er kjemien et steg i riktig retning for å gjenvinne CO2.

En bærekraftig karbonøkonomi

Jestilä forteller videre at det er mulig å se for seg en verden der vi hjelper den naturlige karbonsyklusen ved å få CO2 fra menneskelige aktiviteter til å gå på rundgang. Det blir litt som et batteri der CO2 resirkuleres og omdannes til energibærende forbindelser.

Dersom det er mulig å resirkulere CO2 til å lage drivstoff vil det være mulig å ha en bærekraftig karbonøkonomi. Han mener at det er mulig å bruke karbondioksid til mange ulike ting i framtiden:

– Vi må kjenne reaktiviteten til CO2 for å kunne omdanne det på en mer selektiv måte. På denne måten vil vi ha forutsetningene på plass for å produsere spesifikke produkter og konvertere CO2 til flere stoffer enn vi kan i dag. For at det skal monne med tanke på å redusere karbondioksid i atmosfæren, må vi kunne konvertere det til veldig mange ulike ting, slik som materialer til bygninger.

For at dette skal kunne skje mener Jestilä at det må bli dyrere å slippe ut karbondioksid enn å fange det og omdanne det.

– Det må være så dyrt å slippe ut CO2 at det balanserer ut kostnaden ved å fange og omdanne det. Det kan jo tenkes at produktet som dannes er såpass verdifullt at man tjener tilbake utgiftene ved å selge det videre, spesielt dersom det er snakk om drivstoff, sier han.

Og Joakim Jestilä følger opp med en viss optimisme:

– På de stedene i verden som har fornybar energi tilgjengelig, er det store muligheter for å bruke denne til å konvertere CO2. Sånn sett står Norge i en heldig posisjon til å utvikle noen av disse prosessene, fordi vi har tilgjengelig ren energi.

CO2 kan gjenvinnes ved å se kjemien baklengs (forskning.no)