p As imagens são onipresentes:uma cidade costeira dizimada por outro poderoso furacão, imagens de satélite que mostram o encolhimento das calotas polares, um cardume de peixes mortos flutuando na superfície das águas quentes, trechos de terra queimados por um incêndio fora de controle. Esses retratos terríveis compartilham um fio condutor - eles oferecem evidências tangíveis de que a mudança climática está afetando todos os cantos do globo. p De acordo com a NASA, A temperatura da superfície da Terra aumentou 0,9 graus Celsius desde o início da Revolução Industrial. Os pesquisadores concordam que o aumento das temperaturas tem um culpado principal:o aumento das emissões de gases de efeito estufa.

p Gases de efeito estufa, como dióxido de carbono, óxido nitroso, e o metano retém calor em nossa atmosfera, tornando-os diretamente responsáveis ​​pelas mudanças climáticas. A ocorrência desses gases em nossa atmosfera aumentou exponencialmente desde o final de 1800 devido ao crescimento do uso de combustíveis fósseis em toda a energia, fabricação, e indústrias de transporte.

p Um relatório do Painel Intergovernamental da ONU sobre Mudanças Climáticas (IPCC), lançado em 8 de outubro, 2018 avisou que se a temperatura da Terra subir mais de 1,5 C, os efeitos seriam catastróficos. Ecossistemas inteiros podem ser perdidos, os níveis do mar seriam mais altos, e eventos climáticos extremos se tornariam ainda mais comuns. De acordo com o IPCC, evitar este cenário "exigiria rápido, mudanças de longo alcance e sem precedentes em todos os aspectos da sociedade, "incluindo uma redução de 45% nos níveis de dióxido de carbono até 2030.

p Os pesquisadores do MIT estão trabalhando em uma infinidade de tecnologias que reduzem as emissões de gases de efeito estufa em todos os setores. Muitos professores estão olhando para a energia sustentável. O professor associado Tonio Buonassisi e sua equipe do Laboratório de Pesquisa Fotovoltaica esperam aproveitar a energia do sol, enquanto o professor Alexander Slocum conduziu pesquisas para tornar as turbinas eólicas offshore mais eficientes e economicamente viáveis.

p Além de explorar formas sustentáveis ​​de energia que não requerem combustíveis fósseis, vários membros do corpo docente do Departamento de Engenharia Mecânica do MIT estão se voltando para tecnologias que armazenam, capturar, converter, e minimizar as emissões de gases de efeito estufa usando abordagens muito diferentes.

p Melhorar o armazenamento de energia com cerâmica

p Para que as tecnologias de energia renovável, como energia solar concentrada (CSP) façam sentido economicamente, o armazenamento é crucial. Como o sol nem sempre está brilhando, a energia solar precisa ser armazenada de alguma forma para uso posterior. Mas as plantas CSP estão atualmente limitadas por sua infraestrutura baseada em aço.

p "Melhorar o armazenamento de energia é uma questão crítica que apresenta um dos maiores obstáculos tecnológicos para minimizar as emissões de gases de efeito estufa, "explica Asegun Henry, o Noyce Career Development Professor e professor associado de engenharia mecânica.

p Um especialista em transferência de calor, Henry recorreu a uma classe improvável de materiais para ajudar a aumentar a eficiência do armazenamento térmico:a cerâmica.

p Atualmente, As plantas CSP são limitadas pela temperatura na qual podem armazenar calor. A energia térmica da energia solar é atualmente armazenada em sal líquido. Este sal líquido não pode ultrapassar a temperatura de 565 C, pois os tubos de aço por onde passam ficarão corroídos.

p "Tem havido uma suposição onipresente de que se você vai construir qualquer coisa com líquido fluindo, os tubos e bombas devem ser de metal, "diz Henry." Nós essencialmente questionamos essa suposição. "

p Henry e sua equipe, que mudou recentemente da Georgia Tech, desenvolveram uma bomba de cerâmica que permite que o líquido flua a temperaturas muito mais altas. Em janeiro de 2017, ele foi inscrito no Livro Guinness de Recorde Mundial para a "bomba de líquido com temperatura operacional mais alta". A bomba foi capaz de circular o estanho derretido entre 1, 200 C e 1, 400 C.

p "A bomba agora nos dá a capacidade de fazer uma infraestrutura totalmente de cerâmica para plantas CSP, nos permitindo fluir e controlar o metal líquido, "Henry acrescenta.

p Em vez de usar sal líquido, As usinas CSP agora podem armazenar energia em metais, como estanho derretido, que possuem uma faixa de temperatura mais alta e não corroem as cerâmicas cuidadosamente escolhidas. Isso abre novos caminhos para armazenamento e geração de energia. "Estamos tentando aumentar tanto a temperatura que nossa capacidade de transformar o calor em eletricidade nos dá opções, "Henry explica.

p Uma dessas opções, seria armazenar eletricidade na forma de calor incandescente, branco e quente, como o filamento de uma lâmpada. Esse calor pode então ser transformado em eletricidade convertendo o brilho branco usando energia fotovoltaica - criando um sistema de armazenamento de energia totalmente livre de gases de efeito estufa.

p "Este sistema não pode funcionar se os tubos forem limitados por temperatura e tiverem uma vida útil curta, "acrescenta Henry." É aí que entramos, agora temos os materiais que podem fazer as coisas funcionarem em altas temperaturas. "

p A capacidade recorde da bomba de Henry para minimizar as emissões de gases de efeito estufa vai além de alterar a infraestrutura de usinas solares. Ele também espera usar a bomba para mudar a forma como o hidrogênio é produzido.

p Hidrogênio, que é usado para fazer fertilizantes, é criado pela reação de metano com água, produzindo dióxido de carbono. Henry está pesquisando um método de produção de hidrogênio inteiramente novo que envolveria aquecer o estanho o suficiente para dividir o metano diretamente e criar o hidrogênio, sem introduzir outros produtos químicos ou produzir dióxido de carbono. Em vez de emitir dióxido de carbono, partículas sólidas de carbono se formariam e flutuariam na superfície do líquido. Esse carbono sólido é algo que pode ser vendido para vários fins.

p Conversão de poluentes em materiais valiosos

p Capturar gases de efeito estufa e transformá-los em algo útil é uma meta compartilhada por Betar Gallant, professor assistente de engenharia mecânica.

p O Acordo de Paris, que busca minimizar as emissões de gases de efeito estufa em escala global, afirmou que os países participantes precisam considerar todos os gases de efeito estufa, mesmo aqueles emitidos em pequenas quantidades. Estes incluem gases fluorados como hexafluoreto de enxofre e trifluoreto de nitrogênio. Muitos desses gases são usados ​​na fabricação de semicondutores e em processos metalúrgicos, como a produção de magnésio.

p Os gases fluorados têm até 23, 000 vezes o potencial de aquecimento global do dióxido de carbono e tem uma vida útil na casa dos milhares de anos. "Uma vez que emitimos esses gases fluorados, eles são virtualmente indestrutíveis, "diz Gallant.

p Sem regulamentações atuais sobre esses gases, sua liberação pode ter um impacto duradouro em nossa capacidade de reduzir o aquecimento global. Após a ratificação do Acordo de Paris, Gallant viu uma janela de oportunidade para usar sua experiência em eletroquímica para capturar e converter esses poluentes prejudiciais.

p "Estou procurando mecanismos e reações para ativar e converter poluentes nocivos em materiais armazenáveis ​​benignos ou em algo que possa ser reciclado e usado de maneira menos prejudicial, " Ela explica.

p Seu primeiro alvo:gases fluorados. Usando voltagem e correntes junto com química, ela e sua equipe procuraram acessar um novo espaço de reação. Gallant criou dois sistemas baseados na reação entre esses gases fluorados e o lítio. O resultado foi um cátodo sólido que pode ser usado em baterias.

p "Identificamos uma reação para cada um desses dois gases fluorados, mas vamos continuar trabalhando nisso para descobrir como essas reações podem ser modificadas para lidar com a captura em escala industrial e grandes volumes de materiais, " Ela adiciona.

p Gallant recentemente usou uma abordagem semelhante para capturar e converter as emissões de dióxido de carbono em cátodos de carbono.

p "Nossa questão central era:podemos encontrar uma maneira de obter mais valor do dióxido de carbono incorporando-o a um dispositivo de armazenamento de energia?" ela diz.

p Em um estudo recente, Gallant tratou primeiro o dióxido de carbono em uma solução de amina líquida. Isso gerou uma reação que criou uma nova fase líquida contendo íons, que fortuitamente também pode ser usado como um eletrólito. O eletrólito foi então usado para montar uma bateria junto com metal de lítio e carbono. Ao descarregar o eletrólito, o dióxido de carbono pode ser convertido em um carbonato sólido enquanto fornece uma saída de energia em cerca de três volts.

p À medida que a bateria descarrega continuamente, ele consome todo o dióxido de carbono e o converte constantemente em um carbonato sólido que pode ser armazenado, removido, ou mesmo carregada de volta para o eletrólito líquido para operação como uma bateria recarregável. This process has the potential for reducing greenhouse gas emissions and adding economic value by creating a new usable product.

p 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.

p "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."

p Closing the carbon cycle

p 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.

p Nas décadas de 1980 e 1990, 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.

p 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?"

p Nos últimos anos, 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.

p "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.

p 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. Para fazer isso, Ghoniem says, "We've developed ceramic membranes, chemical looping reactors, and catalysts technology, that allow us to do this efficiently."

p 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.

p 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.

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

p 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.

p 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.

p "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.

p 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. Mas, according to Gutowski, the approach many engineers take in assessing a product's life-cycle is flawed.

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

p Por exemplo, 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."

p "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.

p 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, Contudo, 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. No fim, there are cases were the composites airplane actually weighs more than the original aluminum airplane.

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

p 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.

p "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, " ele explica.

p A global problem

p 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.

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

p 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. Em uma escala menor, MIT is doing its part to minimize its environmental impact.

p Última 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.

p 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.

p "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. p Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.