Le immagini sono onnipresenti:una città costiera decimata da un altro potente uragano, immagini satellitari che mostrano calotte polari in calo, un banco di pesci morti che galleggia sulla superficie delle acque calde, aree di terra bruciate da un incendio fuori controllo. Queste rappresentazioni terribili condividono un filo conduttore:offrono prove tangibili che il cambiamento climatico sta interessando ogni angolo del globo.

Secondo la Nasa, La temperatura della superficie terrestre è aumentata di 0,9 gradi Celsius dall'alba della rivoluzione industriale. I ricercatori concordano sul fatto che l'aumento delle temperature ha un colpevole principale:l'aumento delle emissioni di gas serra.

I gas serra come l'anidride carbonica, ossido nitroso, e il metano intrappolano il calore nella nostra atmosfera, rendendoli direttamente responsabili del cambiamento climatico. La presenza di questi gas nella nostra atmosfera è aumentata in modo esponenziale dalla fine del 1800 a causa della crescita dell'uso di combustibili fossili in tutta l'energia, produzione, e industrie dei trasporti.

Un rapporto del Gruppo intergovernativo delle Nazioni Unite sui cambiamenti climatici (IPCC), rilasciato l'8 ottobre, Il 2018 ha avvertito che se la temperatura della Terra aumenta di oltre 1,5 C, gli effetti sarebbero catastrofici. Interi ecosistemi potrebbero andare persi, il livello del mare sarebbe più alto, e gli eventi meteorologici estremi diventerebbero ancora più comuni. Secondo l'IPCC, evitare questo scenario "richiede una rapida, cambiamenti di vasta portata e senza precedenti in tutti gli aspetti della società, " inclusa una diminuzione del 45% dei livelli di anidride carbonica entro il 2030.

I ricercatori del MIT stanno lavorando su una miriade di tecnologie che riducono le emissioni di gas serra in ogni settore. Molte facoltà stanno guardando all'energia sostenibile. Il Professore Associato Tonio Buonassisi e il suo team nel Photovoltaic Research Lab sperano di sfruttare la potenza del sole, mentre il professor Alexander Slocum ha condotto ricerche per rendere le turbine eoliche offshore più efficienti ed economicamente sostenibili.

Oltre a esplorare forme di energia sostenibili che non richiedono combustibili fossili, un certo numero di docenti del Dipartimento di Ingegneria Meccanica del MIT si stanno rivolgendo a tecnologie che memorizzano, catturare, convertire, e ridurre al minimo le emissioni di gas serra utilizzando approcci molto diversi.

Migliorare l'accumulo di energia con la ceramica

Affinché le tecnologie di energia rinnovabile come l'energia solare concentrata (CSP) abbiano senso dal punto di vista economico, lo stoccaggio è fondamentale. Dal momento che il sole non splende sempre, l'energia solare deve essere in qualche modo immagazzinata per un uso successivo. Ma gli impianti CSP sono attualmente limitati dalla loro infrastruttura basata sull'acciaio.

"Migliorare lo stoccaggio dell'energia è una questione critica che presenta uno dei maggiori ostacoli tecnologici alla riduzione al minimo delle emissioni di gas serra, " spiega Asegun Henry, il Noyce Career Development Professor e professore associato di ingegneria meccanica.

Esperto in trasferimento di calore, Henry si è rivolto a un'improbabile classe di materiali per aumentare l'efficienza dell'accumulo termico:la ceramica.

Attualmente, Gli impianti CSP sono limitati dalla temperatura alla quale possono immagazzinare calore. L'energia termica dell'energia solare è attualmente immagazzinata in sale liquido. Questo sale liquido non può superare una temperatura di 565 C poiché i tubi di acciaio che attraversano si corroderanno.

"C'è stato un presupposto onnipresente che se hai intenzione di costruire qualcosa con liquido che scorre, i tubi e le pompe devono essere in metallo, "dice Henry. "Sostanzialmente abbiamo messo in dubbio questo presupposto."

Enrico e la sua squadra, che di recente si è trasferita da Georgia Tech, hanno sviluppato una pompa in ceramica che consente al liquido di fluire a temperature molto più elevate. A gennaio 2017, è stato inserito nel Guinness dei primati per la "pompa per liquidi a più alta temperatura di esercizio". La pompa era in grado di far circolare stagno fuso tra 1, 200 C e 1, 400 C.

"La pompa ora ci dà la possibilità di realizzare un'infrastruttura interamente in ceramica per gli impianti CSP, permettendoci di fluire e controllare il metallo liquido, " aggiunge Enrico.

Invece di usare sale liquido, Gli impianti CSP possono ora immagazzinare energia nei metalli, come stagno fuso, che hanno un intervallo di temperatura più elevato e non corrodono le ceramiche scelte con cura. Questo apre nuove strade per lo stoccaggio e la generazione di energia. "Stiamo cercando di aumentare la temperatura così calda che la nostra capacità di trasformare il calore in elettricità ci offre opzioni, " spiega Enrico.

Una tale opzione, sarebbe immagazzinare elettricità sotto forma di calore bianco incandescente come quello di un filamento di lampadina. Questo calore può quindi essere trasformato in elettricità convertendo il bagliore bianco utilizzando il fotovoltaico, creando un sistema di accumulo di energia completamente privo di gas serra.

"Questo sistema non può funzionare se i tubi sono a temperatura limitata e hanno una vita breve, " aggiunge Henry. "È qui che entriamo in gioco noi, ora abbiamo i materiali che possono far funzionare le cose a temperature pazzesche".

La capacità della pompa da record di Henry di ridurre al minimo le emissioni di gas serra va oltre l'alterazione dell'infrastruttura degli impianti solari. Spera anche di utilizzare la pompa per cambiare il modo in cui viene prodotto l'idrogeno.

Idrogeno, che viene utilizzato per produrre fertilizzante, viene creato facendo reagire il metano con l'acqua, producendo anidride carbonica. Henry sta studiando un metodo di produzione dell'idrogeno completamente nuovo che implicherebbe il riscaldamento dello stagno abbastanza caldo da dividere direttamente il metano e creare idrogeno, senza introdurre altri prodotti chimici o produrre anidride carbonica. Invece di emettere anidride carbonica, particelle solide di carbonio si formerebbero e galleggeranno sulla superficie del liquido. Questo carbonio solido è qualcosa che potrebbe essere venduto per un numero o scopi.

Conversione di sostanze inquinanti in materiali di valore

Catturare i gas serra e trasformarli in qualcosa di utile è un obiettivo condiviso da Betar Gallant, professore assistente di ingegneria meccanica.

L'accordo di Parigi, che mira a ridurre al minimo le emissioni di gas serra su scala globale, ha affermato che i paesi partecipanti devono considerare ogni gas serra, anche quelli emessi in piccole quantità. Questi includono gas fluorurati come l'esafluoruro di zolfo e il trifluoruro di azoto. Molti di questi gas sono utilizzati nella produzione di semiconduttori e nei processi metallurgici come la produzione di magnesio.

I gas fluorurati hanno fino a 23, 000 volte il potenziale di riscaldamento globale dell'anidride carbonica e hanno una durata di migliaia di anni. "Una volta emessi questi gas fluorurati, sono praticamente indistruttibili, "dice Galant.

In assenza di normative vigenti su questi gas, il loro rilascio potrebbe avere un impatto duraturo sulla nostra capacità di ridurre il riscaldamento globale. Dopo la ratifica dell'Accordo di Parigi, Gallant ha visto una finestra di opportunità per usare il suo background in elettrochimica per catturare e convertire questi inquinanti nocivi.

"Sto esaminando meccanismi e reazioni per attivare e convertire inquinanti nocivi in ​​materiali conservabili benigni o qualcosa che può essere riciclato e utilizzato in modo meno dannoso, " spiega.

Il suo primo obiettivo:i gas fluorurati. Usando tensione e correnti insieme alla chimica, lei e il suo team hanno cercato di accedere a un nuovo spazio di reazione. Gallant ha creato due sistemi basati sulla reazione tra questi gas fluorurati e il litio. Il risultato è stato un catodo solido che può essere utilizzato nelle batterie.

"Abbiamo identificato una reazione per ciascuno di quei due gas fluorurati, ma continueremo a lavorare su questo per capire come queste reazioni possono essere modificate per gestire la cattura su scala industriale e grandi volumi di materiali, "aggiunge.

Gallant ha recentemente utilizzato un approccio simile per catturare e convertire le emissioni di anidride carbonica in catodi di carbonio.

"La nostra domanda centrale era:possiamo trovare un modo per ottenere più valore dall'anidride carbonica incorporandola in un dispositivo di accumulo di energia?" lei dice.

In un recente studio, Gallant prima trattava l'anidride carbonica in una soluzione liquida di ammina. Ciò ha provocato una reazione che ha creato una nuova fase liquida contenente ioni, che fortuitamente potrebbe essere utilizzato anche come elettrolita. L'elettrolita è stato quindi utilizzato per assemblare una batteria insieme al metallo al litio e al carbonio. Scaricando l'elettrolita, l'anidride carbonica potrebbe essere convertita in un carbonato solido fornendo una potenza di circa tre volt.

Poiché la batteria si scarica continuamente, si divora tutta l'anidride carbonica e la converte costantemente in un carbonato solido che può essere immagazzinato, removed, or even charged back to the liquid electrolyte for operation as a rechargeable battery. This process has the potential for reducing greenhouse gas emissions and adding economic value by creating a new usable product.

The next step for Gallant is taking the understandings of these reactions and actually designing a system that can be used in industry to capture and convert greenhouse gases.

"Engineers in this field have the know-how to design more efficient devices that either capture or convert greenhouse gas emissions before they get released into the environment, " she adds. "We started by building the chemical and electrochemical technology first, but we're really looking forward to pivoting next to the larger scale and seeing how to engineer these reactions into a practical device."

Closing the carbon cycle

Designing systems that capture carbon dioxide and convert it back to something useful has been a driving force in Ahmed Ghoniem's research over the past 15 years. "I have spent my entire career on the environmental impact of energy and power production, " says Ghoniem, the Ronald C. Crane Professor of Mechanical Engineering.

In the 1980s and 1990s, the most pressing issue for researchers working in this sphere was creating technologies that minimized the emission of criteria pollutants like nitric oxides. These pollutants produced ozone, particular matter, and smog. Ghoniem worked on new combustion systems that significantly reduced the emission of these pollutants.

Since the turn of the 21st century, his focus shifted from criteria pollutants, which were successfully curbed, to carbon dioxide emissions. The quickest solution would be to stop using fossil fuels. But Ghoniem acknowledges with 80 percent of energy production worldwide coming from fossil fuels, that's not an option:"The big problem really is, how do we continue using fossil fuels without releasing so much carbon dioxide in the environment?"

Negli ultimi anni, he has worked on methods for capturing carbon dioxide from power plants for underground storage, and more recently for recycling some of the captured carbon dioxide into useful products, like fuels and chemicals. The end goal is to develop systems that efficiently and economically remove carbon dioxide from fossil fuel combustion while producing power.

"My idea is to close the carbon cycle so you can convert carbon dioxide emitted during power production back into fuel and chemicals, " he explains. Solar and other carbon-free energy sources would power the reuse process, making it a closed loop system with no net emissions.

In the first step, Ghoniem's system separates oxygen from air, so fuel can burn in pure oxygen—a process known as oxy-combustion. When this is done, the plant emits pure carbon dioxide that can be captured for storage or reuse. Per fare questo, Ghoniem says, "We've developed ceramic membranes, chemical looping reactors, and catalysts technology, that allow us to do this efficiently."

Using alternative sources of heat, such as solar energy, the reactor temperature is raised to just shy of 1, 000 C to drive the separation of oxygen. The membranes Ghoniem's group are developing allow pure oxygen to pass through. The source of this oxygen is air in oxy-combustion applications. When recycled carbon dioxide is used instead of air, the process reduces carbon dioxide to carbon monoxide that can be used as fuel or to create new hydrocarbon fuels or chemicals, like ethanol which is mixed gasoline to fuel cars. Ghoniem's team also found that if water is used instead of air, it is reduced to hydrogen, another clean fuel.

The next step for Ghoniem's team is scaling up the membrane reactors they've developed from something that is successful in the lab, to something that could be used in industry.

Produzione, human behavior, and the so-called "re-bound" effect

While Henry, Gallant, Ghoniem, and a number of other MIT researchers are developing capture and reuse technologies to minimize greenhouse gas emissions, Professor Timothy Gutowski is approaching climate change from a completely different angle:the economics of manufacturing.

Gutowski understands manufacturing. He has worked on both the industry and academic side of manufacturing, was the director of MIT's Laboratory for Manufacturing and Productivity for a decade, and currently leads the Environmentally Benign Manufacturing research group at MIT. His primary research focus is assessing the environmental impact of manufacturing.

"If you analyze the global manufacturing sector, you see that the making of materials is globally bigger than making products in terms of energy usage and total carbon emitted, " Gutowski says.

As economies grow, the need for material increases, further contributing to greenhouse gas emissions. To assess the carbon footprint of a product from material production through to disposal, engineers have turned to life-cycle assessments (LCA). These LCAs suggest ways to boost efficiency and decrease environmental impact. Ma, according to Gutowski, the approach many engineers take in assessing a product's life-cycle is flawed.

"Many LCAs ignore real human behavior and the economics associated with increased efficiency, " Gutowski says.

Per esempio, LED light bulbs save a tremendous amount of energy and money compared to incandescent light bulbs. Rather than use these savings to conserve energy, many use these savings as a rationale to increase the number of light bulbs they use. Sports stadiums in particular capitalize on the cost savings offered by LED light bulbs to wrap entire fields in LED screens. In economics, this phenomenon is known as the "rebound effect."

"When you improve efficiency, the engineer may imagine that the device will be used in the exact same way as before and resources will be conserved, " explains Gutowski. But this increase in efficiency often results in an increase in production.

Another example of the rebound effect can be found in airplanes. Using composite materials to build aircrafts instead of using heavier aluminum can make airplanes lighter, thereby saving fuel. Rather than utilize this potential savings in fuel economy to minimize the impact on the environment, però, companies have many other options. They can use this potential weight savings to add other features to the airplane. These could include, increasing the number of seats, adding entertainment equipment, or carrying more fuel to increase the length of the journey. Alla fine, there are cases were the composites airplane actually weighs more than the original aluminum airplane.

"Companies often don't think 'I'm going to save fuel'; they think about ways they can economically take advantage of increased efficiency, " Gutowski.

Gutowski is working across disciplines and fields to develop a better understanding of how engineers can improve life cycle assessment by taking economics and human behavior into account.

"The goal is to implement policies so engineers can continue to make improvements in efficiency, but these improvements actually result in a benefit to society and reduce greenhouse gas emissions, " he explains.

A global problem

The diversity of approaches to tackling climate change is reflective of the size of the problem. No one technology is going to act as a panacea for minimizing greenhouse gas emissions and staying below the crucial 1.5 C global temperature increase threshold outlined by the U.N.

"Remember, global warming is a global problem, " says Ghoniem. "No one country can solve it by itself, we must do it together."

In September 2019, the U.N. Climate Summit will convene and challenge nations across the world to throw their political and economic weight behind solving climate change. On a smaller scale, MIT is doing its part to minimize its environmental impact.

L'ultima primavera, Gutowski and Julie Newman, director of sustainability at MIT, co-taught a new class entitled 2.S999 (Solving for Carbon Neutrality at MIT). Teams of students proposed realistic scenarios for how MIT can achieve carbon neutrality. "The students were doing real work on finding ways MIT can keep our carbon down, " recalls Gutowski.

Whether it's a team of students in class 2.S999 or the upcoming U.N. Climate Summit, finding ways to minimize greenhouse gas emissions and curtail climate change is a global responsibility.

"Unless we all agree to work on it, invest resources to develop and scale solutions, and collectively implement these solutions, we will have to live with the negative consequences, " Ghoniem says.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.