Teknolojia ya kukamata kaboni:
Kupunguza uchafuzi wa hali ya juu ili kupunguza ongezeko la joto duniani

Shani Daniel

Ongezeko la joto duniani huleta mfululizo mkubwa wa hatari kwa wanadamu duniani. Sayari inaongezeka joto kwa sababu ya athari ya chafu, au gesi katika angahewa ya Dunia inayonasa mionzi ya mawimbi marefu inayotolewa na uso wa Dunia ndani ya angahewa. Gesi ya msingi ambayo inachangia athari hii ni dioksidi kaboni, ambayo hutolewa wakati wa mwako wa mafuta ya hidrokaboni kwa nishati. Athari hasi zinazoweza kutokea za utoaji wa hewa chafu na ongezeko la joto husababisha matukio mabaya ya hali ya hewa, hasara za kilimo na mafuriko katika maeneo ya pwani kutokana na kuyeyuka kwa barafu ya nchi kavu. Matokeo yake, kubadili utegemezi wa nishati duniani kwa vyanzo vinavyopunguza matokeo mabaya ya mabadiliko ya hali ya hewa ni muhimu na ya muda. Hili linaweza kufikiwa kwa kupunguza utegemezi wa kimataifa kwa nishati ya mafuta na vitu vingine vinavyotoa kaboni na kubadili kuelekea nishati mbadala, kama vile jua, upepo, umeme wa maji, mawimbi, na nyuklia, ambazo hazitoi CO2 wakati wa mchakato wao (1).

Hata hivyo, tangu kuanza kwa Mapinduzi ya Viwanda, viwango vya angahewa vya CO2 vimeongezeka kutoka 280 ppm hadi 430 ppm, sawa na 1.18 × 10^12.  tani za ziada za metriki za CO2 katika angahewa yetu. Kwa kuzingatia ukubwa wa mabadiliko haya, kuondoa kaboni iliyotolewa kutoka kwa angahewa na kuihifadhi kwa njia ambayo huondoa athari yake juu ya ongezeko la joto duniani imekuwa mada ya kupendeza kwa wanasayansi wa hali ya hewa hivi karibuni.

Michakato ya sasa ya kutengenezea kaboni ina jukumu la kuchukua hewa kutoka kwa mazingira na kuiweka kwa uhifadhi (2). Hili linaweza kufikiwa kupitia msururu wa athari nne: Mwitikio wa 1 unahusisha kupitisha hewa kupitia myeyusho wa hidroksidi ya potasiamu, ambapo CO2 inaweza kuguswa na maji na kuwa asidi ya kaboniki, ambayo hupitia upunguzaji wa msingi wa asidi ili kuzalisha kabonati ya potasiamu na maji. Mmenyuko wa 2 huzalisha upya hidroksidi ya potasiamu kwa kuitikia kabonati ya potasiamu pamoja na hidroksidi ya kalsiamu ili kutoa kalsiamu kabonati, ambayo haiyeyuki katika maji. Katika mmenyuko wa 3, kalsiamu kabonati dhabiti huathiriwa na mtengano wa joto chini ya halijoto ya juu sana ili kutoa oksidi ya kalsiamu na dioksidi kaboni, ambayo hutolewa kutokana na mmenyuko katika mazingira yanayodhibitiwa ambapo inaweza kuhifadhiwa. Hatimaye, mmenyuko wa 4 unahusisha oksidi ya kalsiamu kuzalisha upya hidroksidi ya kalsiamu inapoyeyuka katika maji. Ingawa athari 1, 2 na 4 ni za nguvu, athari nzuri, mtengano wa joto wa kalsiamu kabonati ni wa mwisho kabisa wa joto na unahitaji kiwango kikubwa cha pembejeo ya nishati, na kufanya uchukuaji kaboni wa viwandani kuwa ghali na mgumu kudumisha (3). Kwa kila tani ya CO2 inayoondolewa kwenye hewa iliyoko, gharama inakadiriwa kuwa kati ya $600-$1000. Kwa kutumia teknolojia za sasa za kutengenezea kaboni, gharama ya kuondoa CO2 ya kutosha ili kurudi kwenye viwango vya awali vya angahewa ya CO2 itakuwa $708 trilioni, au takriban mara 25 ya Pato la Taifa la Marekani mwaka 2023 (4).

Mbinu hii kwa sasa si njia ifaayo ya kuathiri vyema viwango vya CO2 katika angahewa letu. Ubunifu na uboreshaji wa athari ya tatu ya mchakato wa uondoaji kaboni na uhifadhi/mauzo ya CO2 inayozalishwa inaweza kupunguza gharama ya jumla ya mchakato huu, ikiruhusu utekelezaji wake kwa kiwango kikubwa na athari kubwa zaidi chanya (4). Ukamataji wa methane, uchafuzi wa hali ya juu ambao hudhuru afya na huchochea mabadiliko ya hali ya hewa, unaweza kukamilisha mikakati ya uondoaji kaboni kwa kulenga vichafuzi vya hali ya hewa vya muda mfupi ambavyo vinatoa faida za haraka za kiafya na hali ya hewa. Hata hivyo, pamoja na uvumbuzi zaidi wa kuunda mchakato wa gharama nafuu zaidi na mchanganyiko na aina nyinginezo za nishati mbadala, uondoaji wa kaboni unaweza kuwa chombo muhimu cha kukabiliana na athari mbaya za mabadiliko ya hali ya hewa.

Mbinu inayoendeshwa na kibayolojia ambayo imepata kutambulika zaidi katika miaka ya hivi karibuni ni Kilimo Regenerative (RA). Kilimo Regenerative hutoa mbinu jumuishi zaidi na endelevu ya kilimo kwa kuzingatia marejesho ya udongo na usawa wa muda mrefu wa ikolojia (5). Tofauti na kilimo cha kawaida, ambacho mara nyingi hutegemea sana mbolea za kemikali na dawa za kuulia wadudu, RA inasisitiza mazoea ya jadi, ya asili (6). Kanuni tano za msingi ambazo kilimo cha ufufuaji hutegemea hasa kuimarisha afya ya udongo ni: kupunguza usumbufu wa udongo, kuongeza aina mbalimbali za mazao, kudumisha udongo unaoendelea, kuweka mizizi hai kwenye udongo mwaka mzima, na kuunganisha mifugo, kama vile ng'ombe, katika mifumo ya kilimo.

Licha ya kuwa mojawapo ya mbinu bora zaidi za kilimo endelevu na hifadhi ya kaboni ya anga, RA inakabiliwa na vikwazo kadhaa kwa utekelezaji mkubwa (7). Mbinu hiyo ni ya muda mrefu na inahitaji usimamizi makini na thabiti. Wakulima lazima wakubali mbinu mpya na kukuza uelewa wa kina wa biolojia ya udongo, mwingiliano wa mimea, na mazoea ya msingi wa mfumo ikolojia ili kusimamia ardhi yao kwa ufanisi. Mabadiliko haya mara nyingi yanahitaji mafunzo ya kiufundi na kujitolea kwa muda mrefu, ambayo haiwezekani kwa jumuiya zote za wakulima.

Walakini, ikiwa RA itasaidiwa na utekelezaji thabiti na ujumuishaji wa teknolojia za kisasa - kama vile drones, sensorer, na roboti za kilimo - ina uwezo wa kuwa moja ya mikakati ya muda mrefu ya uhifadhi wa kaboni (8). Teknolojia hizi zinaweza kuboresha usahihi na ufanisi wa mbinu za usimamizi wa ardhi, na kuifanya iwe rahisi kufuatilia afya ya udongo, kuboresha mzunguko wa mazao, na kupunguza kazi zinazohitaji nguvu kazi. Kwa mfano, utafiti unaona kuwa udongo una uwezo wa kuchukua hadi gigatoni 3.4 za kaboni kwa mwaka kupitia mazoea ya kilimo (9). Ili kufikia kiwango hiki cha utwaaji, hata hivyo, kungehitaji kupanda takriban miti 5.72 × 10¹¹ kila mwaka.

Mchakato wa RA unahusisha hatua kadhaa zilizounganishwa za kibayolojia na kemikali zinazochangia uhifadhi wa muda mrefu wa kaboni kwenye udongo. Huanza na kuongezeka kwa kilimo cha miti, mazao, na mimea, ambayo ina jukumu muhimu katika kunasa kaboni dioksidi ya angahewa (CO₂) kupitia mchakato wa usanisinuru. Wakati wa usanisinuru, mimea hubadilisha CO₂ na maji kuwa glukosi (C₆H₁₂O₆) na oksijeni (O₂), kufuatia majibu: 6 CO₂ + 6 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂.

Glucose inayozalishwa haitumiwi tu kwa ukuaji wa mimea lakini pia hutolewa kupitia mizizi kwenye udongo kusaidia jamii za vijidudu. Exudates hizi za mizizi huchochea kupumua na shughuli za microbial katika rhizosphere, kuimarisha mzunguko wa virutubisho. Baadhi ya kaboni ya kikaboni hatimaye hudumishwa kupitia mchakato unaoitwa humification, ambapo mabaki ya microbial na mimea hubadilishwa kuwa dutu tata ya humic. Dutu hizi huunda vitu vya kikaboni vya udongo ambavyo vinaweza kubaki kwenye udongo kwa miongo kadhaa, na hivyo kuhifadhi kaboni ardhini.

Ingawa RA ni mbinu endelevu sana, maendeleo yenye maana kupitia njia hii yanahitaji kupunguzwa kwa wakati mmoja kwa utoaji wa kaboni ya anthropogenic. Utafiti unaonyesha kuwa kiwango cha kila mwaka cha kaboni dioksidi inayotolewa na shughuli za binadamu kinazidi kiwango kinachoweza kutwaliwa kupitia mazoea ya kilimo cha upya (bajeti ya kila mwaka ya kimataifa). Kwa mfano, mwaka wa 2023, gigatoni 36.8 za CO2 zilitolewa, ikilinganishwa na gigatoni 3.4 za kaboni iliyotengwa kwa mwaka kupitia RA.

Zege ni nyenzo ya ujenzi inayoenea kila mahali; ni katika barabara zetu, vijia vyetu, majengo yetu, madaraja yetu, na vichuguu vyetu. Kwa kweli, saruji ni dutu ya pili inayotumiwa zaidi duniani, ya pili baada ya maji, na "saruji mara mbili ya saruji hutumiwa katika ujenzi kama vifaa vingine vyote vya ujenzi pamoja" (12). Hivi sasa, dunia inazalisha tani bilioni 30 za saruji kila mwaka, na mahitaji ya kimataifa ya saruji yanaongezeka tu, hasa kama ukuaji wa viwanda unavyoongezeka katika nchi nyingi za Kusini mwa Dunia (13). Kwa bahati mbaya, saruji inakuja na gharama ya nishati.

Saruji, sehemu muhimu ya saruji, huundwa kupitia mchakato unaojulikana kama ukalisishaji — mchanganyiko wa chokaa na udongo huwashwa hadi joto la juu sana, ambayo husababisha mmenyuko wa kemikali ambao hutoa dioksidi kaboni (CO ₂ ) na chokaa (CaO). Kisha chokaa huchanganywa na udongo zaidi na moto tena ili kuunda saruji. Hatimaye, saruji hiyo humenyuka pamoja na maji na kutengeneza bidhaa mbalimbali za kunyunyizia maji, ambazo huimarisha na kuunganisha mikusanyiko (hasa mchanga, changarawe, na miamba iliyosagwa) pamoja, na kutengeneza kile tunachojua kama saruji.

Hata hivyo, wakati pembejeo muhimu ya nishati inayohitajika kupasha joto saruji na CO ₂  iliyotolewa kama bidhaa wakati wa ukokotoaji zote zinazingatiwa, inakuwa dhahiri kuwa simiti ina alama ya kaboni muhimu sana. Kwa kweli, tani moja ya saruji inatoa tani 0.85 za CO ₂ , na sekta ya saruji inazalisha 4-8% ya uzalishaji wa kaboni duniani (14). Hivi sasa, hakuna nyenzo nyingine ya ujenzi yenye uwezo wa kulinganisha utofauti wa saruji, gharama ya chini, na urahisi wa uzalishaji, lakini je, kuna njia yoyote ya kupunguza kiwango cha kaboni ya saruji wakati pia uwezekano wa kupunguza gharama kwa sekta hiyo?

Kama inavyotokea, licha ya ukweli kwamba hutoa dioksidi kaboni wakati wa mchakato wa kuchanganya, saruji pia inachukua kaboni kupitia mmenyuko wa kemikali wa passiv unaojulikana kama. hali ya hewa ya kaboni. Wakati wa mchakato huu, hidroksidi ya kalsiamu (Ca (OH)) ₂ , pia inajulikana kama portlandite), ni bidhaa inayotokana na athari za uhamishaji maji ndani ya zege, humenyuka pamoja na kaboni dioksidi angani kuunda calcium carbonate (CaCO). ₃ , pia inajulikana kama calcite). Hii ni aina ya unyakuzi wa kaboni - kaboni kutoka hewani (CO ₂ ) ni "sequested" katika fomu ya madini ndani ya muundo wa Masi ya saruji.

Walakini, kama mkakati unaowezekana wa kupunguza mabadiliko ya hali ya hewa na kupunguza kiwango cha kaboni cha tasnia, mchakato huu una mapungufu kadhaa. Ya kwanza ni kwamba hutokea polepole sana; tani moja ya saruji inachukua hadi kilo 0.9 ya CO ₂  kwa mwaka kupitia kaboni ya hali ya hewa, ingawa thamani hiyo inategemea sana hali ya mazingira kama vile unyevu na joto (13). Hii ina maana kwamba uchukuaji wa kaboni ambayo hutokea wakati wa hali ya hewa ya kaboni ni ndogo sana kuliko kaboni inayotolewa na sekta hiyo. Upande wa pili ni kwamba, chini ya mfiduo uliopanuliwa kwa CO ₂ , jeli ya hidrati ya kaboni (CSH) ambayo husaidia kuunganisha saruji pamoja hutengana na saruji huanza kuharibika. Hata hivyo, tunaweza kutumia athari za kimsingi za kemikali zinazotokea wakati wa hali ya hewa ya kaboni kama mwongozo wa kubuni mbinu ya kutengenezea kaboni kwenye zege ambayo ni ya haraka na amilifu, tofauti na polepole na tulivu.

Kama ni zamu, sekta sasa ina mbili mbinu. Ya kwanza inaitwa kaboni ya madini, na kimsingi ni "mwigo wa haraka wa hali ya hewa ya miamba" (13). Malengo ya kaboni ya madini ya misombo ya binder; kwa kawaida, saruji huchanganywa tu na maji ili kuunda bidhaa za uhaishaji ambazo huunganisha mikusanyiko ya saruji pamoja. Walakini, ikiwa CO ₂  huyeyushwa katika maji na kutengeneza asidi ya kaboniki (H ₂ CO ₃ ), ayoni za hidronium kutoka kwenye asidi huvunja oksidi za silicate katika saruji, na kuacha ioni za kalsiamu na magnesiamu ya saruji kuunda carbonates imara. Kulingana na utafiti mmoja, kaboni ya madini ya kibiashara inaweza kuchukua hadi 3 Gt ya kaboni kwa mwaka.

Njia ya pili inalenga saruji yenyewe. Saruji mara nyingi hutibiwa baada ya kuchanganywa ili kuhakikisha athari ya uhamishaji wa haraka, ambayo ina athari ya faida kwa uimara na nguvu ya muda mrefu ya simiti. Mvuke ndio njia ya kawaida ambayo simiti hutibiwa, kwani inaruhusu joto la juu na unyevu wa kawaida (15), lakini CO. ₂  inaweza pia kutumika kwa athari sawa. Utaratibu huu, ambapo CO ₂  gesi hudungwa ndani ya saruji ya umri mdogo (yaani, angalau siku chache baada ya kuchanganya) inajulikana kama matibabu ya kaboni. Sawa na uwekaji kaboni wa madini, uponyaji wa kaboni huhusisha mwitikio wa oksidi za silicate na maji na CO ₂  kuunda CaCO ₃ .

Bila shaka, kupata CO safi ₂  gesi, pamoja na kubuni na kudumisha vyumba vya majibu vilivyofungwa muhimu kwa kuponya, inamaanisha gharama ya ziada kwa mtengenezaji. Hata hivyo, inawezekana kupunguza gharama hizi kwa kubadilisha kifungamanishi cha kitamaduni na kujumlisha nyenzo na njia mbadala zilizorejelewa ili kufanya kile kinachojulikana katika tasnia kama "saruji ya kijani". Kwa mfano, saruji ya Portland, chaguo la kawaida la sehemu ya saruji ya saruji, inaweza kubadilishwa kwa sehemu au kabisa na majivu ya inzi (bidhaa ya tasnia ya makaa ya mawe) au slag ya chuma, kwa kuwa zote mbili zina oksidi muhimu kwa athari za uhamishaji kutokea. Utafiti mmoja uligundua kuwa kuchukua nafasi ya saruji ya Portland na mchanganyiko wa majivu ya inzi na chokaa kulisababisha mchanganyiko wa zege na kiwango cha kaboni cha 78%, ikilinganishwa na digrii 32 ya kaboni katika mchanganyiko wa kudhibiti saruji ya Portland (13).

Kwa kuongeza, changarawe na mwamba uliovunjika, uchaguzi wa kawaida wa mkusanyiko wa coarse, unaweza kubadilishwa na bidhaa za uharibifu (matofali yaliyovunjika, saruji, nk). Ukaaji wa madini pia unaweza kufanywa kwenye mijumuisho hii ili kuongeza nguvu na uimara wao, pamoja na uwezo wao wa kuchukua kaboni. Hatimaye, mijumuisho ya faini (kwa kawaida mchanga) inaweza kubadilishwa na biochar, ambayo ina faida ya ziada ya kuwa bidhaa ya uondoaji wa kaboni yenyewe (biochar huundwa kwa kuchoma vitu vya kikaboni kwa joto la juu sana katika mazingira ya chini ya oksijeni, na kusababisha kuundwa kwa miundo thabiti ya kaboni). Masomo fulani yamegundua kuwa biochar inaweza kuharakisha athari za uhamishaji wakati wa uponyaji wa kaboni wa umri wa mapema, na kusababisha nguvu ya juu ya kukandamiza (16). Biochar pia ina vinyweleo vingi, kumaanisha ina tovuti zaidi ambapo athari za kaboni zinaweza kutokea.

Tofauti na CCS au kilimo cha kuzaliwa upya, saruji ya kijani haihitaji mabadiliko makubwa kutoka kwa sekta iliyopo au kuundwa kwa mpya kabisa; kinachohitajika ni kujumuisha bidhaa zilizosindikwa kwenye mchanganyiko halisi na kutumia teknolojia za uponyaji wa kaboni badala ya mvuke. Watengenezaji saruji kwa sasa wana njia ya kuwekeza katika siku zijazo zinazobadilika zaidi hali ya hewa - mahali ambapo tunajenga miji yetu kutoka kwa CO iliyotengwa. ₂ .