Bilderna är allestädes närvarande:En kuststad som decimerats av en annan kraftfull orkan, satellitbilder som visar krympande polarisar, ett stim av döda fiskar som flyter på ytan av värmande vatten, markområden som bränts av en skogsbrand som inte har kontroll. Dessa fruktansvärda skildringar delar en röd tråd – de ger konkreta bevis på att klimatförändringarna påverkar alla hörn av världen.

Enligt NASA, Jordens yttemperatur har stigit med 0,9 grader Celsius sedan den industriella revolutionens början. Forskare är överens om att temperaturökningen har en primär bov:ökade utsläpp av växthusgaser.

Växthusgaser som koldioxid, lustgas, och metan alla fångar värme i vår atmosfär, göra dem direkt ansvariga för klimatförändringarna. Förekomsten av dessa gaser i vår atmosfär har ökat exponentiellt sedan slutet av 1800-talet på grund av ökad användning av fossila bränslen över hela energin, tillverkning, och transportindustrin.

En rapport från FN:s Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC), släpptes den 8 oktober, 2018 varnade att om jordens temperatur stiger mer än 1,5 C, effekterna skulle bli katastrofala. Hela ekosystem kan gå förlorade, havsnivåerna skulle vara högre, och extrema väderhändelser skulle bli ännu vanligare. Enligt IPCC, att undvika detta scenario "skulle kräva snabba, långtgående och aldrig tidigare skådade förändringar i alla aspekter av samhället, " inklusive en minskning av koldioxidhalten med 45 procent till 2030.

Forskare över MIT arbetar med en myriad av tekniker som minskar utsläppen av växthusgaser inom alla branscher. Många fakulteter tittar på hållbar energi. Docent Tonio Buonassisi och hans team i Photovoltaic Research Lab hoppas kunna utnyttja solens kraft, medan professor Alexander Slocum har forskat för att göra havsbaserade vindkraftverk mer effektiva och ekonomiskt lönsamma.

Förutom att utforska hållbara energiformer som inte kräver fossila bränslen, ett antal fakultetsmedlemmar vid MIT:s avdelning för maskinteknik vänder sig till teknik som lagrar, fånga, konvertera, och minimera utsläppen av växthusgaser med mycket olika tillvägagångssätt.

Förbättra energilagring med keramik

För att förnybar energiteknik som koncentrerad solenergi (CSP) ska vara ekonomiskt vettig, lagring är avgörande. Eftersom solen inte alltid skiner, solenergi måste på något sätt lagras för senare användning. Men CSP-anläggningar är för närvarande begränsade av sin stålbaserade infrastruktur.

"Att förbättra energilagring är en kritisk fråga som utgör ett av de största tekniska hindren för att minimera utsläppen av växthusgaser, " förklarar Asegun Henry, Noyce karriärutvecklingsprofessor och docent i maskinteknik.

En expert på värmeöverföring, Henry har vänt sig till en osannolik klass av material för att hjälpa till att öka effektiviteten i termisk lagring:keramik.

För närvarande, CSP-anläggningar begränsas av den temperatur vid vilken de kan lagra värme. Termisk energi från solkraften lagras för närvarande i flytande salt. Detta flytande salt kan inte överstiga en temperatur på 565 C eftersom stålrören de strömmar genom kommer att korroderas.

"Det har funnits ett allestädes närvarande antagande att om du ska bygga något med strömmande vätska, rören och pumparna måste vara av metall, " säger Henry. "Vi ifrågasatte i huvudsak det antagandet."

Henry och hans team, som nyligen flyttade från Georgia Tech, har utvecklat en keramisk pump som låter vätska flöda vid mycket högre temperaturer. I januari 2017, han skrevs in i Guinness Book of World Record för "vätskepumpen med högsta driftstemperatur." Pumpen kunde cirkulera smält tenn mellan 1, 200 C och 1, 400 C.

"Pumpen ger oss nu möjligheten att skapa en helkeramisk infrastruktur för CSP-anläggningar, låter oss flöda och kontrollera flytande metall, " tillägger Henry.

Istället för att använda flytande salt, CSP-anläggningar kan nu lagra energi i metaller, som smält tenn, som har ett högre temperaturområde och inte kommer att korrodera den noggrant utvalda keramiken. Detta öppnar nya vägar för energilagring och energiproduktion. "Vi försöker höja temperaturen så varm att vår förmåga att omvandla värme till elektricitet ger oss alternativ, " förklarar Henry.

Ett sådant alternativ, skulle vara att lagra elektricitet som glödande vit varm värme som en glödlampa. Denna värme kan sedan omvandlas till elektricitet genom att omvandla det vita skenet med hjälp av solceller – vilket skapar ett helt växthusgasfritt energilagringssystem.

"Det här systemet kan inte fungera om rören är temperaturbegränsade och har en kort livslängd, " tillägger Henry. "Det är där vi kommer in, vi har nu materialen som kan få saker att fungera vid galet höga temperaturer."

Henrys rekordstora pumps förmåga att minimera utsläppen av växthusgaser går längre än att förändra infrastrukturen i solcellsanläggningar. Han hoppas också kunna använda pumpen för att förändra hur väte produceras.

Väte, som används för att tillverka gödningsmedel, skapas genom att metan reagerar med vatten, producerar koldioxid. Henry forskar om en helt ny väteproduktionsmetod som skulle innebära att tenn värms tillräckligt varmt för att direkt klyva metan och skapa väte, utan att införa andra kemikalier eller göra koldioxid. Istället för att släppa ut koldioxid, fasta kolpartiklar skulle bildas och flyta på vätskans yta. Detta fasta kol är något som sedan skulle kunna säljas för ett antal eller ändamål.

Omvandla föroreningar till värdefulla material

Att fånga upp växthusgaser och förvandla dem till något användbart är ett mål som delas av Betar Gallant, biträdande professor i maskinteknik.

Parisavtalet, som strävar efter att minimera utsläppen av växthusgaser på global nivå, uppgav att deltagande länder måste överväga varje växthusgas, även de som släpps ut i små mängder. Dessa inkluderar fluorerade gaser som svavelhexafluorid och kvävetrifluorid. Många av dessa gaser används i halvledartillverkning och metallurgiska processer som magnesiumproduktion.

Fluorerade gaser har upp till 23, 000 gånger den globala uppvärmningspotentialen för koldioxid och har livstider i tusentals år. "När vi släpper ut dessa fluorerade gaser, de är praktiskt taget oförstörbara, säger Gallant.

Utan nuvarande regler för dessa gaser, deras utsläpp kan ha bestående inverkan på vår förmåga att begränsa den globala uppvärmningen. Efter ratificeringen av Parisavtalet, Gallant såg en möjlighet att använda sin bakgrund inom elektrokemi för att fånga upp och omvandla dessa skadliga föroreningar.

"Jag tittar på mekanismer och reaktioner för att aktivera och omvandla skadliga föroreningar till antingen godartade lagringsbara material eller något som kan återvinnas och användas på ett mindre skadligt sätt, " förklarar hon.

Hennes första mål:fluorerade gaser. Att använda spänning och strömmar tillsammans med kemi, hon och hennes team undersökte att få tillgång till ett nytt reaktionsutrymme. Gallant skapade två system baserade på reaktionen mellan dessa fluorerade gaser och litium. Resultatet blev en solid katod som kan användas i batterier.

"Vi identifierade en reaktion för var och en av dessa två fluorerade gaser, men vi kommer att fortsätta arbeta med det för att ta reda på hur dessa reaktioner kan modifieras för att hantera industriell skala fångst och stora volymer material, " tillägger hon.

Gallant använde nyligen en liknande metod för att fånga upp och omvandla koldioxidutsläpp till kolkatoder.

"Vår centrala fråga var:Kan vi hitta ett sätt att få ut mer värde av koldioxid genom att integrera den i en energilagringsenhet?" hon säger.

I en nyligen genomförd studie, Gallant behandlade först koldioxid i en flytande aminlösning. Detta föranledde en reaktion som skapade en ny joninnehållande vätskefas, som lyckligtvis också kunde användas som en elektrolyt. Elektrolyten användes sedan för att sätta ihop ett batteri tillsammans med litiummetall och kol. Genom att ladda ur elektrolyten, koldioxiden kunde omvandlas till ett fast karbonat samtidigt som den levererade en uteffekt på cirka tre volt.

När batteriet laddas ur kontinuerligt, den äter upp all koldioxid och omvandlar den hela tiden till ett fast karbonat som kan lagras, tog bort, 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.

På 1980- och 1990-talen, 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?"

På senare år har 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. To do this, 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.

Manufacturing, 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. Men, 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.

Till exempel, 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, dock, 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. I slutet, 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, " han förklarar.

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."

I 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.

Last spring, 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.

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.