O pão é muitas vezes chamado de o sustento da vida, mas esse rótulo pode ser aplicado com mais precisão ao nitrogênio, o elemento que as bactérias do solo arrancam da atmosfera e alteram quimicamente para ajudar a estimular o crescimento das plantas, que, em última análise, alimenta o gado e os humanos também.

Hoje existe uma vasta indústria para produzir e entregar fertilizantes à base de nitrogênio para fazendas, que se beneficiam de maiores rendimentos agrícolas, mas, Infelizmente, com algum custo ambiental, como o excesso de escoamento químico muitas vezes derrama em rios e cursos de água costeiros.

Agora, os pesquisadores de Stanford estão liderando um esforço de vários anos para produzir este impulsionador de crescimento vital de forma sustentável, ao inventar uma tecnologia química movida a energia solar que pode fazer esse fertilizante direto na fazenda e aplicá-lo diretamente nas plantações, estilo de irrigação por gotejamento.

“Nossa equipe está desenvolvendo um processo de produção de fertilizantes que pode alimentar o mundo de forma ambientalmente sustentável, "diz o engenheiro químico Jens Norskov, diretor do SUNCAT Center for Interface Science and Catalysis, uma parceria entre pesquisadores da Stanford Engineering e do SLAC National Accelerator Laboratory.

Este projeto SUNCAT de oito anos é apoiado por uma doação de US $ 7 milhões da Villum Foundation, uma filantropia científica e ambiental internacional. O esforço de nitrogênio sustentável é parte de um amplo, Iniciativa de US $ 20 milhões apoiada por Villum para reunir pesquisadores de Stanford e cientistas dinamarqueses para desenvolver tecnologias sustentáveis ​​para produzir não apenas fertilizantes, mas combustíveis e outros produtos químicos industriais vitais.

"Uma linha comum entre esses projetos é a necessidade de identificar catalisadores que podem promover processos químicos movidos a luz solar, em vez de depender de combustíveis fósseis agora comumente usados ​​como fontes de energia e, muitas vezes, como matéria-prima para reações, "diz Norskov, professor de engenharia química e ciência do fóton em Stanford.

Catalisadores - compostos que estimulam reações sem serem consumidos - são usados ​​em escala industrial há mais de um século. Os fertilizantes de hoje são comumente derivados de produtos petroquímicos por meio de um processo de uso intensivo de energia que depende de catalisadores para acelerar as reações que ocorrem sob altas pressões e temperaturas. Desenvolvendo um baixo consumo de energia, processo baseado em energia solar para fazer fertilizantes de nitrogênio pode beneficiar bilhões de pessoas, particularmente aqueles no mundo em desenvolvimento. Mas, para chegar lá, os pesquisadores do SUNCAT terão que abrir caminho na ciência da catálise.

"Não conhecemos nenhum catalisador feito pelo homem que possa fazer o que precisamos, "Norskov diz." Teremos que projetá-los. "

Nitrogênio e vida

O nitrogênio é literalmente tecido no tecido da vida. Por meio de combinações químicas com carbono, hidrogênio e oxigênio, nitrogênio ajuda a formar aminoácidos, que são os próprios blocos de construção das proteínas, aquela família versátil de moléculas vitais para todos os seres vivos. Podemos agradecer às bactérias do solo por tornar o nitrogênio utilizável. Com o tempo, os microrganismos desenvolveram um ecossistema bioquímico para extrair nitrogênio da atmosfera e combiná-lo com o hidrogênio da água para formar compostos como a amônia, que podem ser absorvidos pelas plantas, promovendo o seu crescimento e canalizando este gás atmosférico para a cadeia alimentar.

Não sabemos quando os agricultores descobriram os benefícios da fertilização, mas a prática é antiga. Estudos modernos dos solos ao redor dos assentamentos neolíticos sugerem que, já em 6, 000 anos atrás, os agricultores procuraram aumentar a produtividade fertilizando as plantações com dejetos animais - agora conhecido por conter ureia rica em nitrogênio (amônia mais carbono). Outras práticas tradicionais de fertilização incluem o cultivo de plantas como trevo e alfafa, que são boas para fixar nitrogênio utilizável no solo, ou simplesmente deixando os campos em pousio para que as bactérias do solo reabastecessem o suprimento da natureza. Hora extra, conforme a população crescia e se mudava para as cidades, surgiram indústrias para fornecer aos agricultores fertilizantes à base de nitrogênio. Às vezes, isso envolvia o envio de navios para coletar depósitos de guano de pássaros em ilhas remotas, ou produtos químicos de mineração, como nitrato de sódio ou sulfato de amônio, que podem ser refinados em aditivos de crescimento de plantas.

Na primeira década do século 20, Contudo, o crescimento populacional ameaçou sobrecarregar essas práticas. Foi neste momento crucial que o químico alemão Fritz Haber, trabalhando com o engenheiro químico Carl Bosch, descobriram como produzir amônia em massa em tonéis gigantes usando gás natural, qual era o ponto de partida ou matéria-prima do processo. Sob extrema pressão e calor, catalisadores químicos podem quebrar moléculas de gás natural, liberando os átomos de hidrogênio e juntando-os ao nitrogênio do ar para formar NH3, ou amônia sintética que pode ser facilmente absorvida pelas plantas. A tecnologia Haber-Bosch foi saudada como uma das principais descobertas do século XX.

"Nós literalmente alimentamos o mundo com fertilizantes derivados do processo Haber-Bosch, "Norskov diz.

Escala e impacto ambiental

Tom Jaramillo, vice-diretor do Centro SUNCAT e membro do projeto de síntese de nitrogênio, colocar a produção anual de fertilizantes em perspectiva.

“A cada ano, produzimos mais de 20 quilos de amônia por pessoa para cada pessoa no planeta, e a maior parte dessa amônia é usada como fertilizante, "diz Jaramillo, professor associado de engenharia química e ciência do fóton em Stanford.

Mas essa produção massiva de fertilizantes tem vários custos, começando com a produção. Devido ao calor e pressão exigidos pelo processo Haber-Bosch, a catálise de amônia é responsável por aproximadamente 1% de todo o uso global de energia. Além disso, entre 3% e 5% do gás natural do mundo é usado como matéria-prima para fornecer o hidrogênio para a síntese de amônia.

Em seguida, vêm os custos ambientais. Os fertilizantes de hoje são produzidos em massa em fábricas centralizadas, entregue em fazendas e administrado por meio de espalhadores mecanizados. A água da chuva e da irrigação pode levar o excesso de fertilizante para os riachos, rios e vias navegáveis ​​costeiras. O acúmulo de escoamento de fertilizantes pode estimular o hipercrescimento de plantas aquáticas, criando uma espiral ambiental negativa em que as plantas podem sufocar a vida marinha para criar "zonas mortas" nos rios, lagos e baías de água salgada.

Os pesquisadores da SUNCAT visam fornecer os benefícios da fertilização sem nenhum desses custos. A ideia é substituir o centralizado, O processo Haber-Bosch baseado em combustível fóssil com uma rede distribuída de módulos de produção de amônia sob demanda funciona com energia renovável. Esses módulos usariam a energia solar para extrair nitrogênio da atmosfera e também para catalisar a divisão das moléculas de água para obter hidrogênio e oxigênio. Os processos catalíticos, então, uniriam um átomo de nitrogênio a três átomos de hidrogênio para produzir amônia, com o oxigênio como um produto residual.

"Aproveitaremos a energia solar na presença de catalisadores adequadamente projetados para criar amônia diretamente nos campos agrícolas, "Norskov diz." Pense nisso como um método de irrigação por gotejamento para sintetizar amônia, onde se infiltra nas raízes das colheitas. "

Este esforço surge quando a atenção está sendo focada na forte dependência da agricultura industrializada de combustíveis fósseis e nas muitas ramificações ambientais dessa dependência.

"Você não vai precisar de enormes quantidades de combustíveis fósseis como matéria-prima de amônia, or to drive the trucks that deliver the fertilizers or the tractors that apply it, " Norskov says. "And you won't have a problem with excess application and fertilizer runoff, because virtually all the fertilizer that is produced will be consumed completely by the crops."

Such a process would have a global payoff. In the developed economies with mechanized agriculture, solar-based nitrogen catalysis would deliver fertilizers with dramatically lower environmental costs. In regions like sub-Saharan Africa, where depleted soils have stymied efforts at sustainable agriculture and reforestation, a solar-based fertilization technology could help subsistence farmers boost crop yields and alleviate hunger.

Next-generation catalysis

Developing a solar-powered technology to produce nitrogen-based fertilizers is an enormous challenge that begins with designing the necessary catalysts.

"It is remarkable how much economic and industrial activity depends on catalysis and how little this is appreciated, " Norskov says.

Catalysts are chemistry's multitaskers:They must target specific molecules, break certain chemical bonds and, muitas vezes, create new bonds to remake from the atomic jumble whatever end molecule is desired. It is understandably rare to find a chemical agent that can perform all this breaking and making without becoming exhausted – in this case a technical reference to the fact that a catalyst must carry out these chemical reactions without changing the atomic structure that enabled it to perform its multitasking magic in the first place.

"While the catalyst must bind strongly enough to the target molecule to do the work required, it also has to release the end product, " says Stacey Bent, a professor of chemical engineering at Stanford and key member of the SUNCAT team. "We have to design catalysts that can make and break bonds with atomic precision, and we have to ensure these materials can be mass produced at the necessary scales and price points, and are durable and simple to use in the fields."

This is especially true in the case of the fertilizer-production process envisioned here, Jaramillo explains, because of the complexity of the process.

"We have to design a series of reactions to cleave the nitrogen molecule from air, separate the hydrogen from water and combine them to form ammonia, with the only input energy coming from solar power, " Jaramillo says, adicionando, "We're really just at the beginning."

Computação, visualization, experimentação

The close working relationship between Stanford engineers and researchers at the SLAC National Accelerator Laboratory is an important part of the story.

SLAC particle accelerators and imaging technologies can capture and visualize chemical reactions at the atomic scale. Este, in combination with SLAC's computational assets, will allow the SUNCAT team to use a variety of techniques, including artificial intelligence, machine learning and simulation, to identify promising materials, and then predict how slight alterations to their atomic structures might optimize them for use as catalysts.

"We plan to simulate the properties of materials that could perform the necessary reactions, " says Bent, "and then come up with a short list of the best candidates for experimentalists to synthesize and test."

The magnitude of the task requires a wide range of talents. In addition to Norskov, Jaramillo and Bent, other participating Stanford researchers include chemical engineering faculty Zhenan Bao and Matteo Cargnello. SLAC collaborators include Thomas Bligaard, senior staff scientist and deputy director of theory at SUNCAT, and staff scientist Frank Abild-Pedersen. A group of Danish researchers led by professor Ib Chorkendorff at the Technical University of Denmark are key members of the project.

"We are part of a very strong team, attacking some of the biggest challenges in chemistry, chemical engineering and sustainability, " says Jaramillo.

The ultimate goal is to create a catalytic process that can spur the various ammonia-producing chemical reactions with no inputs other than air, water and sunlight. Além disso, these inexhaustible catalysts, and indeed every component in these ammonia-production modules, must be inexpensive to mass produce, durable in the field and easy to operate. It's a tall order but the potential payoff is huge.

"Sustainable nitrogen production will only become possible with the cross-disciplinary collaboration of people working in fields such as materials science, chemical engineering and computer science, " Bent says. "It could literally change the world."

If the project's goal seems worth the effort, the same is true for its research methodology. Team-based discovery that combines theoretical insight, atomic-level visualization and computational simulation can be applied to designing other sustainable processes to create fuels and industrial chemicals, as envisioned by the broader Villum initiative.

Norskov framed that broader objective against the backdrop of global warming in a recent paper co-authored with Arun Majumdar, a professor of mechanical engineering at Stanford, co-director of the Precourt Institute for Energy and former founding director of the Advanced Research Projects Agency–Energy.

In an essay for the Scientific Philanthropy Alliance, Norskov and Majumdar posit that civilization has reached the point at which the technologies that have allowed our population to grow may now threaten life's underpinnings. The essential challenge of the 21st century is to develop new technologies that meet human needs in ways that are environmentally sustainable.

"Essentially we are attempting to restore the balance in the Earth's carbon and nitrogen cycles that has been lost through the exponential increase in the demand for food and fossil fuels, " Norskov and Majumdar write, adicionando, "The time to act is now."