تكنولوژي در برابر بحران محيط زيست: برنده نهايي كدام است؟

لحظه فروپاشي كوه‌هاي عظيم يخ در اقيانوس... نگاه سوزناك آخرين خرس‌هاي قطبي آواره بر تكه هاي يخ... كشتي‌هاي به گل نشسته در ميان بيابان...

شايد اينها از مانديشه متخصصين نگاه ترديد‌آميز شما تنها تصاويري رسانه‌اي با اهداف ژورناليستي باشند؛ يا خوش‌بينانه‌تر اين‌ كه شايد كاملا فاجعه را درك كرده‌ايد، اما لااقل آن را فعلا دغدغه‌ي خود و امثال خود نمي‌دانيد.

 با وجود تلاش جامعه‌ي جهاني در قالب معاهده‌هايي نظير توافق پاريس با هدف محدود‌سازي  روند گرمايش كره‌ي زمين به زير ۲ درجه سانتي‌گراد، امروزه گمان مي رود تحقق اين چشم انداز، تنها با كاهش انتشار Co2 ميسر نخواهد بود. 

همين نياز منجر به تعريف و اشاعه‌ي شاخه‌ي جديدي از دانش با عنوان تكنولوژي‌هاي انتشار منفي (Negative Emission Technologies يا به اختصار NET) از سوي مجامع بين المللي فعال در حوزه‌ي تغييرات اقليمي شده است. به‌طور خلاصه، اين دانش را مي‌توان علم شناخت و معرفي روش‌هاي جذب و امحاي دي‌اكسيد كربن موجود در اتمسفر زمين معرفي كرد. حال اگر از خود مي‌پرسيد اين‌گونه روش‌ها تا به چه اندازه اي عملي يا داراي توجيه اقتصادي هستند، بايد بدانيد كه نه تنها هيچ‌كدام از اين روش‌ها هنوز در جايي از جهان پياده سازي نشده؛‌ بلكه حتي صحت عملكرد برخي از آنها در مقياس بزرگتر، هنوز به‌درستي اثبات نشده است. با اين حال، شايد مطالعه ادامه‌ي اين نوشتار بتواند به درك و قضاوت بهتر شما در اين زمينه كمك كند.

حال به شرح برخي از راهكارهاي پيشنهادي به همراه فوايد و معضلات احتمالي آنها مي پردازيم.

اين روش، بسيار ساده است؛ تا مي توانيم جنگل بكاريم و جنگل هاي در حال مرگ را احيا كنيم.

جنگل‌ها، شش‌هاي كره‌ي زمين و سيستم طبيعي جذب دي‌اكسيد كربن و تبديل آن به زيست توده هستند. پس طبيعي است كه به آنها به‌عنوان اولين راه‌حل در بين تكنولوژي‌هاي انتشار منفي نگاه كرد.

اصطلاح جنگل‌كاري (Afforestation)، به‌معناي درخت‌كاري در نقاطي است كه پيش از اين، درختي در آنجا وجود نداشته است و اصطلاح باز‌جنگل‌كاري (Reforestation) به‌معناي احياي درختان در نقاطي است كه بافت جنگلي آنها به‌علت قطع درختان يا عوامل ديگر، در معرض خطر نابودي قرار گرفته است.

با كمك اين دو روش، مي توان ساليانه حدود ۳/۷ تن دي‌اكسيد كربن در هر هكتار را با هزينه اي معادل ۲۰ الي ۱۰۰ دلار در ازاي هر تن، جذب و ذخيره‌سازي كرد.

 اين روش شامل جمع آوري دي‌اكسيد كربن از محل توليد (نيروگاه‌ها و كارخانجات صنعتي)، انتقال گاز از طريق حمل و نقل يا لوله و در نهايت دفن آن در بسترهاي زير‌زميني است.

ممكن است اين ايراد را وارد كنيد كه روش فوق بيشتر به راهكاري پيشگيرانه شباهت دارد تا يك تكنولوژي انتشار منفي. در پاسخ بايد بدانيم كه هم اكنون دو سوم انرژي الكتريكي مورد نياز جهان از منابع فسيلي تامين مي شوند. به‌علاوه تقريبا منبع انتشار يك چهارم از كل دي‌اكسيد كربن در جهان، صنايعي هستند كه سوخت‌هاي فسيلي را به‌عنوان ماده‌ي اوليه خود مصرف مي كنند.

مزيت اصلي اين روش، هزينه‌ي اجرايي بسيار كمتر جمع‌آوري آلاينده از منبع نسبت به روش‌هاي ديگر است. با اين حال، تعدد و پراكندگي بسيار زياد منابع انتشار كربن در سطح جهان و عدم توجيه متخصص و اقتصادي مناسب براي پياده سازي اين روش در برخي كشورهاي كمتر توسعه يافته مي‌تواند از موانع اصلي اجراي طرح تلقي گردد.با درانديشه متخصصين گرفتن نيروگاه‌ها و صنايع آلاينده به‌عنوان بخشي انكارناپذير از اكوسيستم فعلي، دور از منطق نيست كه برخي متخصص كارشناسان، روش جذب و ذخيره‌سازي كربن را در زمره‌ي تكنولوژي‌هاي انتشار منفي قلمداد كنند.

روشي كه در حوزه‌ي تكنولوژي‌هاي انتشار منفي تاكنون تا حد زيادي مورد اقبال عمومي قرا گرفته است، توليد انرژي زيست‌توده به همراه جذب و ترسيب كربن (BECCS) است. اين روش شامل مراحل زير است:

•     پرورش وسيع گونه‌هايي از گياهان و محصولات زراعي است كه حين رشد، مقادير زيادي دي‌اكسيد كربن را جذب مي كنند.
•     سوزاندن محصولات در نيروگاه‌هاي برق مجهز به فيلترهاي جمع آوري كربن
•     دفن كربن جمع‌آوري‌شده در زير زمين

مزيت اصلي روش اين است كه حين بهره‌برداري از زيست‌توده در نيروگاه، جذب كربن نيز انجام شده و ديگر نياز به بازطراحي و اعمال روش جذب و ذخيره‌سازي كربن نخواهد بود.

بد نيست بدانيد متخصص كارشناساني كه طي دهه‌ي اخير مشغول ارائه‌ي سناريوهاي محدود‌سازي گرمايش جهاني به زير دو درجه‌ي سانتيگراد بودند، اكثرا همين روش را در فرضيات مدل‌سازي خود به‌كار گرفته‌اند. به‌عنوان نمونه، در آخرين گزارش ارزيابي هيئت بين‌المللي در مورد تغييرات اقليمي كه در سال ۲۰۱۴ منتشر شده بود، از ميان ۱۱۶ سنارويي كه شانس احتمالي را براي رسيدن به محدوده‌ي گرمايش دو درجه‌اي را داشته‌اند، ۱۱۱ سناريو بر مبناي روش‌هاي BECCS بوده‌اند. همچنين در ۶۷ درصد از اين سناريوها عنوان شده است كه تا سال ۲۱۰۰، اين روش مي‌تواند حداقل ۲۰ درصد از انرژي اوليه‌ي مورد‌نياز جهان را تامين كند. مطالعه‌اي تازه‌تر نشان مي‌دهد كه اين روش به‌صورت ساليانه مي‌تواند حدود ۱۲ ميليارد تن دي‌اكسيد كربن را در جهان جذب و ترسيب كند.

اين روند نيز شباهت زيادي به روش قبل دارد، تفاوت در اين است كه در اين روش ضايعات چوبي و زراعي طي فرآيند پرولايز و در محيطي با اكسيژن كم يا بدون اكسيژن، سوزانده شده و به‌نوعي زغال به نام بيوچار تبديل مي‌شوند. اين ماده كه به‌عنوان افزودني به خاك افزوده مي‌شود، قابليت بالايي در جذب دي‌اكسيد كربن از هوا را دارد و مي‌تواند تا صدها يا هزاران سال كربن را در خود محبوس كند.

از  مزاياي اين محصول، متخصصي چندگانه به‌عنوان كود آلي جهت افزايش باروري خاك و نگه‌دارنده‌ي رطوبت خاك است. نمونه‌اي از اين متخصصد مربوط به خاك زمين سياه (Terra preta) در برزيل است و علت نام‌گذاري آن مربوط به بيوچاري است كه ۲۵۰۰ سال پيش، بوميان سرخپوست به خاك نابارور اين منطقه افزودند.

از مزاياي ديگر فرآيند توليد بيوچار، خلاصي از شر محصولات زراعي زائد در كنار توليد حرارت و زيست‌توده به‌عنوان محصولات جانبي فرآيند پرولايز است. اين محصول، قابليت جذب ۴/۸ ميليارد تن دي‌اكسيد كربن در سال را دارد و برخلاف روش‌هاي پيشين، نياز زيادي به زمين و آب ندارد.

با اين‌ حال، بيوچار ماده‌اي سياه رنگ است و استعمال آن به بهاي افزايش جذب تابش خورشيد توسط خاك و ايجاد گرماي بيشتر در سطح زمين خواهد بود. همچنين شواهدي وجود دارد كه احتمال فرسايش تدريجي اين ماده و خطر نشت تدريجي آن به آب‌هاي آزاد را مطرح مي‌كند.

اصطلاح كربن آبي (‌Blue carbon)، به كليه‌ي گونه‌هاي زيستي و غيرزيستي در محيط‌هاي دريايي يا ساحلي اطلاق مي‌شود كه قابليت جذب و ذخيره‌سازي كربن را داشته باشند. از جمله اين گونه‌ها مي توان به مرداب‌هاي نمكي، گياهان دريايي و گياهان خانواده شاه‌پسند اشاره كرد. اين گونه‌ها نقش يك سيستم دفاعي طبيعي را در برابر تغييرات اقليمي ايفا مي‌كنند، به‌اين‌صورت كه دي‌اكسيد كربن را (حتي با سرعتي بيشتر از گونه‌هاي خاكي) از هوا جذب كرده و آن را در برگ، ساقه و نيز خاك بستر خود ذخيره مي‌كنند. هم‌اكنون نزديك به يك‌سوم از تالاب‌ها و مناطق ساحلي در جهان به‌علت فعاليت‌هاي اقتصادي بشر نظير ساخت‌وسازهاي مسكوني و احداث بندرگاه‌ها نابود شده است و اين قضيه، عرصه را براي حيات ذخاير كربني تنگ كرده است.

معماران، در آغاز راه استفاده از مصالح طبيعي در طراحي‌هاي نوين خود هستند. در سال ۲۰۱۵، تعداد هفت خانه‌ي شهري ساخته شده از كاه، در شهر بريستول انگلستان رونمايي شد، اما هنوز موانع بزرگي نظير كمبود سرمايه‌گذاري، استاندارد و تخصص لازم بر سر راه توسعه‌ي متخصصي اين محصولات در مقياس‌هاي بزرگ وجود دارد.

زماني كه دي‌اكسيد كربن در آب حل مي‌شود، اسيد كربنيك توليد مي‌شود. حالا مي‌توانيد علت افزايش بي‌سابقه‌ي اسيديته‌ي آب اقيانوس‌ها را همزمان با افزايش غلظت دي‌اكسيد كربن در اتمسفر درك كنيد. براي ميليون‌ها سال، اقيانوس‌ها نقش موثري در كنترل حجم كربن موجود در اتمسفر داشته‌اند. در حالت طبيعي، دي‌اكسيد كربن حلاليت‌پذيري قابل توجهي در آب‌هاي آزاد ندارد؛ ولي اين مورد را مي‌توان با افزايش عمدي خاصيت قليايي آب اصلاح كرد. اين موضوع انگيزه‌ي متخصصين را در مطالعه‌ي روش‌هايي نظير انحلال مقادير زيادي آهك در اقيانوس‌ها به‌صورت گسترده يا  اسپري كردن مواد قليايي قوي در ميان ابرها با هدف توليد باران‌هاي قليايي تقويت كرده است.

تكنولوژي جذب مستقيم از هوا يا Direct air capture) DAC) شامل مراحل مكش مستقيم هوا، جداسازي و نهايتا دفن دي‌اكسيد كربن در زير زمين (يا تبديل آن به موادي نظير پلاستيك يا سوخت) است. مرحله‌ي جداسازي معمولا به‌صورت عبور هوا از سطح محلولي خاص با قابليت جذب بالاي دي‌اكسيد كربن است. پس از اشباع محلول، دي‌اكسيد كربن حل شده با كمك حرارت بازيافت شده و محلول براي استفاده‌ي مجدد آماده مي‌شود.

اين تكنولوژي كه با نام درخت مصنوعي نيز شناخته شده است، برخلاف رقباي طبيعي خود نياز به فضاي كمي دارد و (در صورت غلبه بر چالش‌هاي متخصص و اقتصادي) حتي قابليت بازجذب تمام دي‌اكسيد كربن منتشر شده در طول سال را خواهد داشت.

از جمله اشكالات پيش روي جمع‌آوري دي‌اكسيد كربن به روش مستقيم، غلظت كم (۰/۰۴ درصدي) اين ماده در هواست كه اين به‌معناي نياز به مصرف انرژي بسيار زياد جهت تكميل فرآيند بازيافت است. برخي شركت‌ها هزينه‌ي اجراي اين روش را حدود ۲۵ دلار در ازاي جذب هر تن دي‌اكسيد كربن محاسبه كرده‌اند و برخي ديگر برآورد صحيح را عددي بين ۴۰۰ الي ۱۰۰۰ دلار اعلام كرده‌اند. تنها با يك حساب سرانگشتي، جمع‌آوري ساليانه يك ميليارد تن دي‌اكسيد كربن از هوا، به مجموع ظرفيت نيروگاهي با توان ۱۶ گيگاوات به صورت ۲۴ ساعته و در ۷ روز هفته نياز خواهد داشت. واضح است تامين اين حجم انرژي الكتريكي تقريبا غيرممكن است و متخصصين استفاده از انرژي حرارتي بازيافت شده از ساير فعاليت‌هاي صنعتي (نظير كوره‌ي ذوب فلزات) را به‌جاي استفاده مستقيم از انرژي الكتريكي در فرآيند بازيافت اين تكنولوژي، پيشنهاد داده‌اند.

اين همان كشت اقيانوسي يا به عبارتي جنگل‌كاري زير آب است!

گياهان دريايي نيز مانند گونه‌هاي خاكي براي فتوسنتز نياز به دي‌اكسيد كربن دارند. اين امر در‌مورد گونه‌هاي ميكروسكوپي موجود در آب نيز صادق است. ما مي‌توانيم با تزريق مواد ريزمغذي نظير آهن در آب اقيانوس‌ها، زمينه را براي رشد و نمو گونه‌هايي ميكروسكوپي مانند فيتوپلانكتون‌ها فراهم كنيم. با افزايش جمعيت اين موجودات و مصرف تمام دي‌اكسيد كربن موجود در بستر، مازاد موردنياز از طريق هوا تامين مي‌شود. در پايان عمر اين گونه‌ها، كربن ذخيره شده در ساختار آنها به‌صورت رسوب در بستر اقيانوس انباشته و براي هزاران سال حفظ مي‌گردد. غير از روش ياد شده، تزريق نيتروژن يا پمپاژ مواد مغذي از بستر اقيانوس به سطح آن نيز مكانيزم مشابهي را در افزايش رشد و نمو گونه‌هاي دريايي ايجاد خواهد كرد.

همچنين اين روش مي‌تواند موجب افزايش توليد «دي‌ميتيل‌سولفيد» توسط گونه‌هاي دريايي شود و اين امر هم مي تواند در اصلاح شدت بازتاب ابرها و متعاقبا كاهش نرخ افزايش دما اثرات مثبتي به ارمغان آورد.

اين بار، همه چيز مطابق ميل به انديشه متخصصين مي‌رسد.

اما با وجود تمام اين مزايا، هنوز با پرسش‌هاي مهمي در مسير پياده‌سازي فراگير اين ايده مواجه هستيم. چگونگي تامين اين حجم عظيم از ماده‌ي ريزمغذي، هزينه‌ي اجرا، محدوديت‌هاي ناشي از قوانين بين‌المللي و حتي آثار غيرقابل‌پيش‌بيني ناشي از تداخل روش كشت اقيانوسي با ساير چرخه‌هاي طبيعي، همگي بخشي از پرسش‌هاي تامل‌برانگيزي هستند كه اراده‌ي جامعه جهاني را در تصميم گيري نهايي به چالش كشانده است.

اصول كار اين روش هم بر مبناي دخالت انسان در بخشي از يك پروسه‌ي طبيعي به نام هوازدگي است كه ابتدا آن را شرح مي‌دهيم.

داستان با بارش باران آغاز مي‌شود .قطران باران در مسير نزول از آسمان، بخشي از دي‌اكسيد كربن موجود در جو را جذب كرده و كمي خاصيت اسيدي مي‌يابند. با شستشوي خاك يا سنگ‌ها توسط باران، به مرور اسيد كرنيك موجود در آب باران با مواد معدني موجود در خاك يا سنگ وارد واكنش شده و به بي‌كربنات‌ها تبديل مي‌شود. بي‌كربنات‌ها در مسير جريان آب‌هاي جاري وارد اقيانوس‌ها شده و در بستر اقيانوس‌ها مدفون مي‌شوند.

در روش مصنوعي، پروسه‌ي يادشده با توليد و توزيع سنگ‌هاي خردايش‌شده به‌صورت پودر تسريع شود. پودر سنگ‌ها در سطح وسيعي از مزارع كشاورزي توزيع مي‌گردد. اين مواد علاوه بر افزايش حاصل‌خيزي، با كمك ميكروب‌هاي موجود در خاك، سرعت واكنش‌هاي هوازدگي را بالا مي‌برند. همچنين اين پودر را مي‌توان به‌طور مستقيم بر سطح اقيانوس‌ها پاشيد.برآوردها نشان مي‌دهد با كمك اين روش مي‌توان ساليانه ۳/۷ ميليارد تن دي‌اكسيد كربن را (با هزينه‌اي بين ۱۵ الي ۳۶۱ يورو در ازاي هر تن)  جذب و ذخيره‌سازي كرد. به‌علت خاصيت قليايي سنگ‌هاي خردايش‌شده، ورود تدريجي اين مواد به آب‌هاي آزاد، خود اقدامي موثر در مقابله با پديده‌ي افزايش اسيديته‌ي آب اقيانوس‌ها محسوب مي‌شود.

هوازدگي تسريع شده، يكي از موضوعات محوري در برنامه‌ي مهندسي زمين دانشگاه آكسفورد است و به‌تازگي دانشگاه شفيلد نيز از برنامه ارائه شده از سوي مركز مقابله با تغييرات اقليمي لورهولم به‌منظور آزمايش و توسعه‌ي تكنيك‌هاي هوازدگي تسريع شده با ارزش ده ميليون يورو خبر داده است.

اصول كار اين روش مبتني بر جذب دي‌اكسيد كربن از هوا و ذخيره‌سازي آن در خاك بستر گياهان است و راهكار قابل‌ارائه، اصلاح روش‌هاي كشت مدرن معرفي شده است.

هواداران اين سازوكار بر اين باورند كه از زمان انقلاب صنعتي، تغيير متخصصي اكوسيستم‌هاي طبيعي به زمين‌هاي زراعي فعلي، موجب آزاد‌سازي و انتشار ۵۰ الي ۱۰۰ ميليارد تن كربن دفن‌شده در فضاي اتمسفر شده است كه دليل آن كاهش حجم ريشه و بقاياي گياهان موجود در خاك و فرسايش شديد خاك در ازاي افزايش بازدهي توليد محصولات زراعي است. اين در حاليست كه احياي مجدد مراتع طبيعي، تالاب‌ها و درياچه‌ها مي‌تواند بخش عظيمي از اين كربن آزاد شده را به خاك برگرداند.

در ابتداي سال، گروهي از پژوهشگران با انتشار مقاله‌اي، امكان افزايش توليد گوشت را در برزيل همزمان با كاهش انتشار كربن (از طريق روش ترسيب كربن در خاك) مورد مطالعه قرار دادند:

در بيشتر چراگاه‌ها، گونه‌اي از گياهان استوايي با نام Brachiaria كشت مي‌شود، گونه‌ي ياد شده قابليت ويژه‌اي در جذب دي‌اكسيد كربن از هوا و ذخيره كردن آن در ريشه‌هاي خود دارد. مطالعات نشان مي‌دهد درصورت مديريت صحيح، از اين مراتع مي‌توان به‌عنوان روشي براي ذخيره كردن كربن در خاك بهره گرفت. همزمان با رشد تقاضا براي گوشت، دامداران ميزان استفاده از گياهان موجود در مراتع خود بالاتر خواهند برد و اين قضيه به نوبه‌ي خود منجر به ذخيره‌ي بيشتر كربن در خاك مي شود. واضح است كه تقاضاي كمتر، اثري معكوس در پي خواهد داشت.

با اين حال هنوز ترديد‌هايي در مورد ميزان مؤثر بودن اين روش وجود دارد؛ آن هم در شرايطي كه بسياري از مناطق دنيا با بحران گرماي بي‌سابقه و كم‌آبي شديد مواجه شده‌اند.

يكي از جديدترين روش‌هاي نوظهور در حوزه‌ي تكنولوژي‌هاي انتشار منفي، جذب دي‌اكسيد كربن هوا به‌صورت الكترو ژئو شيميايي است كه علاوه بر كاركرد اصلي آن، داراي مزايايي نظير توليد سوخت پاك (هيدروژن) و نيز ديگر فرآورده‌هاي جانبي قليايي به منظور كاهش اسيديته‌ي آب اقيانوس‌ها است.

نتايج مطالعات تازه‌اي كه در ۲۵ ژوئن ۲۰۱۸ در مقاله‌اي از سوي مجله Nature Climate Change منتشر شده است، به ارزيابي مزاياي متخصص و اقتصادي اين روش پرداخته است. مدل پيشنهادي فعلي، شامل مراحل ذيل است:

• الكتروليز آب‌هاي شور با استفاده از انرژي منابع پاك و تجديدپذير (نظير خورشيدي، بادي و غيره) با هدف استخراج اكسيژن و هيدروژن
• واكنش محصولات الكتروليز با مواد معدني رايج (نظير كربنات‌ها و سيليكات‌ها) با هدف توليد محلول‌هاي شيميايي با قابليت بالا در جذب و انحلال دي‌اكسيد كربن هوا
• جذب دي‌اكسيد كربن هوا توسط محلول و تبديل آن به محلول بي‌كربنات (ماده‌اي معدني فراوان در آب اقيانوس با خاصيت قليايي بالا)

كلام آخر:اين تكنولوژي علاوه بر عملكرد موفقيت‌آميز در بازجذب دي‌اكسيد كربن موجود در هوا با بازدهي بالاتر و احتمال آلودگي كمتر نسبت به روش توليد انرژي زيست‌توده به همراه جذب و ترسيب كربن، خاصيت قليايي آب را نيز افزايش مي‌دهد كه اين به نوبه‌ي خود، گام مؤثري در جهت مقابله با تهديد ناشي از افزايش بي‌رويه‌ي اسيديته‌ي آب اقيانوس‌ها محسوب خواهد شد. هرچند روش BECCS به خاطر وجود زيرساخت‌هاي توليد انرژي زيست‌توده از لحاظ اجرايي يك گام جلوتر است و نيز به‌دليل توليد مستقيم برق به جاي سوخت هيدروژن درحال‌حاضر مقبوليت بالاتري دارد.

در اين نوشتار به چكيده‌اي از ۱۲ سازوكار مطرح در زمينه‌ي تكنولوژي‌هاي انتشار منفي با هدف مقابله با بحران محيط زيست اشاره شد. مطالعه‌ي راهكارهاي ارائه‌شده، يك نكته‌ي ظريف اما مهم را براي ما آشكار مي‌سازد و آن عمق پيچيدگي و درهم‌تنيدگي تمامي اجزاي سيستمي است كه قصد بهبود آن را داريم. با درانديشه متخصصينگرفتن تمامي اين ابعاد، شايد شما هم به اين نكته پي برده باشيد كه درحال‌حاضر يك راهكار منحصربه‌فرد براي مواجهه با بحران فعلي وجود ندارد. شايد دليل اين امر، تجربه‌ي اندك ما در فرصت تعامل و شناخت اكوسيستمي چند ميليون ساله است.

انديشه متخصصين شما همراهان اخبار تخصصي، علمي، تكنولوژيكي، فناوري مرجع متخصصين ايران در مورد راهكارهاي مطرح شده چيست؟