När astronauter ombord på den internationella rymdstationen (ISS) andas ut koldioxid (CO2), det tas ur luften och pumpas ut i rymden. Kan en jordbaserad version hjälpa till att ta bort utsläppen av växthusgaser från vår atmosfär?

För att begränsa den globala uppvärmningen till 1,5˚C över förindustriella nivåer och undvika några av de värre effekterna av klimatförändringarna, det innebär att alla 42 miljarder ton årliga CO2-utsläpp ska elimineras till 2050.

Ett sätt att göra detta är att minska utsläppen. En annan är att designa material som kan ta bort den CO2 som redan finns i atmosfären eller innan den förs ut. Problemet är att ingen riktigt har räknat ut hur man bäst gör detta – ännu.

Luftfiltersystemet i rymden inspirerade professor Stefano Brandani och Dr. Giulio Santori från University of Edinburgh, STORBRITANNIEN, att utveckla ett sätt att fånga och koncentrera CO2 direkt från atmosfären. Denna ambitiösa strategi – att bygga ett så kallat artificiellt träd – skulle se till att CO2 fångas upp för att lagras i stora underjordiska reservoarer.

Zeolit

CO2 som andas av astronauter ombord på ISS fångas upp med hjälp av ett svampliknande mineral som kallas zeolit, som har små porer för att låsa in en CO2-molekyl. På rymdstationen, zeoliterna tömmer sin CO2 när de utsätts för rymdens vakuum.

Som en del av ett projekt kallat ACCA, Dr. Santori hackar systemet så att det fungerar på jorden. Detta är mer utmanande. "Det finns så mycket mer CO2 att fånga upp och koncentrationerna är mer utspädda till att börja med på jorden, så det är mycket mer energikrävande, " förklarade han. "Startkoncentrationen av CO2 på ISS är en storleksordning högre."

Det nya systemet fungerar genom att ha en serie zeolitadsorptionsbäddar. Var och en tar upp CO2, koncentrerar den lite och släpper den när den värms upp. "Det är som en svamp. Du regenererar materialet med hjälp av värme. När det är kallt, det tar in mycket (av CO2), sa Dr Santori.

Denna CO2 flyttar sedan in i en ny adsorptionsbädd, vilket återigen trycker gasmolekylerna närmare. Gasen komprimeras därmed mer vid varje steg, utan behov av rörliga delar som vakuumpumpar. Temperaturförändringar är motorn i denna process. Uppvärmning och kylning av det svampiga materialet gör att det släpper ut gasen, och ta upp mer.

Med fem bäddar av zeoliter, töms med värme – vilket kan vara spillvärme från en industrianläggning – och kyls vid omgivningstemperatur, CO2 kan fångas upp med en renhet på över 95 %, med lite energiförbrukning.

"Om du kunde fånga upp CO2 från luften, detta gör att du kan komprimera den och lagra den i en närliggande geologisk anläggning, sa Dr Santori, som tror att storskalig avskiljning och lagring av kol är den idealiska strategin för att minska koldioxidutsläppen i atmosfären.

I längden, zeoliter skulle kunna användas i stationer som kunde fånga upp CO2 direkt från luften – men det är långt borta eftersom komprimering av CO2 bara är en del av problemet. Eftersom CO2 är mycket utspädd i omgivande luft, teknik som gigantiska fläktar skulle behövas för att suga den mot stationerna utan att spendera för mycket energi eller pengar – något som fortfarande är ett för högt hinder för nuvarande teknik. Prof. Brandani sa:"Frågan är hur mycket det kostar och vem som sedan äger CO2."

Ett alternativ på kortare sikt är att fokusera på att ta bort CO2 från de avfallsgaser som produceras av industrin innan den släpps ut i atmosfären.

CO2 sprids från fossildrivna kraftverk, men industrier som stål och cement släpper också ut massor av CO2. De kemiska reaktionerna som behövs för att förvandla kalksten till cement, till exempel, frisläppande CO2-gas och enbart cementtillverkning släpper ut 7 % av alla globala koldioxidutsläpp.

Membran

Tanken är att installera membran som fångar upp CO2, som sedan kan koncentreras och komprimeras för lagring. "Membran är effektiva och kan spara energi jämfört med andra system, " sa professor Marco Giacinti Baschetti vid universitetet i Bologna, Italien.

I traditionella strategier som används av industrier som kolverk, CO2 fångas upp i speciella vätskor eller fasta svampliknande strukturer, men dessa måste sedan värmas upp för att frigöra CO2. Detta behövs inte med membran. All befintlig teknik, dock, är dyra. Nuvarande membranmaterial är inte tillräckligt hållbara och separerar inte CO2 tillräckligt bra för att vara ekonomiskt förnuftigt.

Prof. Baschetti driver ett projekt som heter NANOMEMC ² som utvecklar ett antal olika membran för CO2-avskiljning. I november, teamet ska testa ett nytt membran i en Colacem cementanläggning i Italien.

Utvecklad av projektforskare vid Norges teknisk-naturvetenskapliga universitet, membranet är gjort av ihåliga fibrer, ungefär en millimeter tjock, och täckt med ett extremt tunt lager av nanocellulosa och polymer blandat med artificiella aminosyror. Nanocelluosen, som är gjord av små fibrer från trä, låter CO2 tränga igenom, samtidigt som andra gaser blockeras. Aminosyran tar tag i CO2 och drar den över membranet.

"Cementfabriker genererar CO2 från förbränning och från tillverkning av cement, så deras rökgas är hög i CO2, " sa Prof. Baschetti. "Vi kommer att mata denna gas genom vårt membran för att separera ut CO2, men självklart när du gör det här i industrin, en del damm och föroreningar kommer att finnas. Vi vill se om vårt membran fortfarande kan fungera korrekt med denna riktiga rökgas." Membranet kommer också att testas vid University of Sheffield, STORBRITANNIEN.

Detta projekt har inte placerat alla sina spelmarker på ett membran. "Vi började i labbet och undersökte mer än 60 typer av membran, " sa Dr Maria-Chiara Ferrari, en vetenskapsman på projektet vid University of Edinburgh, STORBRITANNIEN. Det finns cirka fyra membrankandidater som leder vägen som är baserade på underlättad transport – det är när en bärarmolekyl hjälper till att haka på CO2 och transportera den över membranet.

Även om det låter lovande, tekniken är fortfarande i ett mycket tidigt – och litet – stadium. Membranen som gjorts hittills i labbet passar i handflatan, medan testmembranen kommer att vara ungefär lika stora som en A4 -sida. "En full verklig anläggning kommer att behöva hundratusentals kvadratmeter och den kompletta separationsenheten kommer att uppta cirka tre fraktcontainrar i volym, " förklarade Dr Ferrari.