Hogy lehet a felesleges metánt kivonni a légkörből?

Ma hárommilliárd tonnával több metán van a légkörben, mint az iparosodás előtti időkben, írja a ScienceNews. 

Az idei nyár volt a valaha mért legmelegebb a Földön, és 2023 várhatóan a legmelegebb év lesz. A hőhullámok Észak-Amerikában, Európában és Ázsiában veszélyeztették az emberek egészségét. Kanadában minden idők legsúlyosabb erdőtűzszezonja volt, és a lángok feldúlták Lahaina városát Maui szigetén. Los Angelest hallatlan nyári trópusi vihar sújtotta, míg a líbiai esőzések pusztító áradásokat okoztak, amelyek több ezer halottat és eltűntet hagytak maguk után. Ez a szélsőséges időjárás figyelmeztető jel arra, hogy az éghajlatváltozás elkezdődött, és az emberiségnek tennie kell ez ellen már most.

A metán visszaszorítása lenne a legjobb megoldás?

A fosszilis tüzelőanyagok elégetéséből származó szén-dioxid-kibocsátás a fő bűnös az éghajlatváltozásért, és a tudósok szerint ezt vissza kell szorítani. De van egy másik üvegházhatású gáz is, amellyel foglalkozni kell: a metán. Rob Jackson, a Stanford Egyetem földrendszerekkel foglalkozó tudósa és az üvegházhatású gázok kibocsátását nyomon követő Global Carbon Project elnöke szerint a metán kezelése lehet a legjobb megoldás arra, hogy rövid távon fékezzük meg a hőmérséklet emelkedését. "A metán a legerősebb eszközünk arra, hogy a következő évtizedekben lelassítsuk a globális felmelegedést."

Ez azért van így, mert viszonylag rövid életű a légkörben - a metán körülbelül 12 évig marad meg, míg a CO2 több száz évig is jelen van. És molekulánként mérve a metán erősebb, azaz a kibocsátását követő 20 év alatt a metán több mint 80-szor jobban felmelegíti a légkört, mint az azonos mennyiségű CO2.

Stratégiák a metán csökkentésére

Már vannak stratégiáink a metánkibocsátás csökkentésére - a földgázszivárgások kijavítása (a metán a földgáz fő összetevője), a szén fokozatos kivonása (a bányászati műveletek metánt bocsátanak ki), kevesebb hús- és tejtermék fogyasztása (a tehenek sok metánt böfögnek ki), valamint a járművek villamosítása. Az összes létező metáncsökkentő stratégia megvalósítása a következő évtizedben 30 százalékkal lassíthatná a globális felmelegedést - mutatták ki kutatások.

Néhány klímakutató, köztük Jackson szerint azonban ennél tovább kell mennünk. Számos metánforrást nehéz, ha nem lehetetlen megszüntetni. Ezek közé tartozik néhány emberi eredetű kibocsátás, például a rizsföldek és a szarvasmarhatartás által termelt kibocsátás - bár léteznek olyan megoldások, melyekkel csökkenthető ez a kibocsátás. Figyelembe kell ugyanakkor venni, hogy egyes természetes források a világ felmelegedésével egyre több metánt fognak kibocsátani. Vannak arra utaló jelek, hogy a trópusi vizes élőhelyek már most is többet bocsátanak ki a gázból a légkörbe, mint korábban, az Északi-sarkvidék gyors felmelegedése pedig a permafrosztot a metántermelő mikrobák melegágyává változtathatja, és a jelenleg fagyott talajban tárolt metánbombát szabadíthat fel.

A tudósok ezért olyan módszereket akarnak kidolgozni, amelyekkel a metánt közvetlenül a levegőből távolíthatják el.

Ma hárommilliárd tonnával több metán van a légkörben, mint az iparosodás előtti időkben. A metánfelesleg eltávolítása 0,5 Celsius-fokkal hűtené le a bolygót, mondja Jackson.

Hasonló "negatív kibocsátási" stratégiákat már korlátozottan alkalmaznak a CO2 esetében. Ezt a gázt ott fogják fel, ahol kibocsátják, vagy közvetlenül a levegőből, majd valahol tárolják. A metán azonban nehezen befogható molekula, ezért a tudósoknak más megközelítésekre van szükségük.

A legtöbb ötlet még a kutatás korai szakaszában van

A tudósok jelenleg tanulmányozzák ezeket a lehetséges technológiákat, azok készültségi fokát és lehetséges kockázatait, valamint azt, hogy milyen további kutatásokra és finanszírozásra van szükség. A megközelítések között szerepel a metánfogyasztásban már profi baktériumok átalakítása, valamint katalitikus reaktorok kifejlesztése, amelyeket szénbányák szellőzőnyílásaiban és más, metánban gazdag helyeken helyeznek el a gáz kémiai átalakítására.

"A metán egy sprint, a CO2 pedig egy maraton" - mondja Desirée Plata, az MIT környezetvédelmi mérnöke.

A mikrobák már most is eltávolítják a metánt a levegőből

A metán (CH4) könnyen lebomlik a légkörben, ahol a napfény és az erősen reaktív hidroxilgyökök bőségesen vannak jelen. Más a helyzet azonban, amikor a vegyészek megpróbálnak megával a molekulával kísérletezni. A metán négy szén-hidrogén kötése erős és stabil. Jelenleg a vegyészeknek rendkívül magas hőmérsékletnek és nyomásnak kell kitenniük a gázt, hogy lebontsák.

További probléma, hogy a gáz begyűjtése is nehézkes, hisz alacsony koncentrációban van jelen a légkörben. Minden 1 millió levegőmolekulából mindössze 2 metán (összehasonlításképpen: minden 1 millió levegőmolekulából körülbelül 400 CO2). Ezért nagy kihívást jelent elegendő metánt összegyűjteni, tárolni vagy hatékonyan átalakítani valami mássá.

A természet kémikusai azonban még ilyen nehéz körülmények között is képesek felvenni és átalakítani a metánt. Ezek a metanotrófnak nevezett mikrobák enzimek segítségével fogyasztják a metánt. A talajban élő metanotrófok természetes globális metánfelvétele évente körülbelül 30 millió tonna. Ezt hasonlítsuk össze azzal a nagyjából 350 millió tonna metánnal, amelyet az emberi tevékenység 2022-ben a légkörbe pumpált a Nemzetközi Energiaügynökség szerint.

A mikrobiológusok azt szeretnék megtudni, hogy lehetséges-e rávenni ezeket a baktériumokat arra, hogy gyorsabban vegyenek fel több metánt.

Lisa Stein, a kanadai Edmontonban található Albertai Egyetem mikrobiológusa e mikrobák genetikáját és fiziológiáját tanulmányozza. "Alapkutatásokat végzünk, hogy megértsük, hogyan boldogulnak a különböző környezetekben" - mondja.

Stein szerint a metanotrófok különösen lassan működnek az alacsony oxigéntartalmú környezetben, például a vizes élőhelyeken és a hulladéklerakókban, ahol a metán bőséges. Ezekben a környezetekben a metánt előállító mikrobák, az úgynevezett metanogének gyorsabban termelik a gázt, mint ahogy a metanotrófok fel tudják emészteni.

Stein szerint azonban lehetséges lehet olyan talajmódosításokat és egyéb ökoszisztéma-módosításokat kifejleszteni, melyek felgyorsítják a mikrobiális metánfelvételt. E célból egyeztet anyagtudósokkal is arról, hogy olyan felületet tervezzenek, mely gyorsabb növekedésre ösztönzi a metanotrófokat, és így felgyorsítja a metánfogyasztásukat.

A tudósok azt remélik, hogy a metanotrófok metánfogyasztását segítő enzim részletesebb megértésével meg tudják kerülni ezt a sebességi buktatót. A metán-monooxigenáz vagy MMO megragadja a molekulát, és az enzimbe ágyazott réz segítségével oxigénnel megbontja a metán szén-hidrogén kötéseit. Az enzim végül metanolt termel, amelyet a mikrobák metabolizálnak.

Az MMO sebességének növelése nemcsak a metán eltávolításában segíthet, hanem lehetővé teszi a mérnökök számára, hogy a metanotrófokat ipari rendszerekben is alkalmazhassák. A metán metanollá alakítása lenne az első lépés, amelyet több gyorsabb reakció követne, hogy egy végtermék, például műanyag vagy üzemanyag készüljön belőle.

"A metán-monooxigenázok nem szupergyors enzimek" - mondja Amy Rosenzweig, az Evanstonban (Ill.) található Northwestern Egyetem kémikusa. Bármilyen reakció, amelyben az MMO részt vesz, sebességkorlátot szab a folyamatnak. "Ez a kulcsfontosságú lépés, és ha nem értjük meg, nagyon nehéz lesz rávenni egy mesterséges szervezetet arra, amit szeretnénk" - mondja Rosenzweig.

Az enzimeket gyakran úgy alakítják ki, hogy úgy illeszkedjenek a reaktánsaikhoz - ebben az esetben a metánhoz -, mint egy kesztyű. Így az MMO fizikai szerkezetének pontos ismerete segíthet a kutatóknak az enzim működésének finomhangolásában. Az MMO a sejt lipidmembránjába ágyazódik. A szerkezetbiológusok a képalkotáshoz általában detergensek segítségével távolítják el a lipideket, ami inaktiválja az enzimet, és így nem kapnak teljes képet róla és aktivitásáról. Rosenzweignek és munkatársainak azonban nemrég sikerült az enzimet ebben a lipidkörnyezetben leképezniük. Az MMO-nak ez a natív állapotban való, eddig példa nélküli látványa, amely a Science 2022-es számában jelent meg, egy korábban nem látott helyet tárt fel, ahol a réz kötődik.

De ez még mindig nem a teljes kép.

Rosenzweig azt mondja, reméli, hogy szerkezeti vizsgálatai más munkákkal együtt elég hamar áttörést hoznak, hogy segítsenek megelőzni a globális felmelegedés okozta válságott. "Talán az embereknek szerencséjük lesz, és gyorsan kifejlesztik a törzset" - mondja Rosenzweig. "Nem tudhatod, amíg nem próbálod ki."

A kémikusok előrelépést értek el a katalizátorok terén

Más tudósok a metánbontó kémiai reaktorokat igyekeznek a metánforrások közelébe helyezni. Ezek a reaktorok általában katalizátort használnak, hogy felgyorsítsák azokat a kémiai reakciókat, amelyek a metánt kevésbé melegítő molekulává alakítják át. Ezek a katalizátorok gyakran magas hőmérsékletet vagy más szigorú feltételeket igényelnek a működésükhöz, drága fémeket, például platinát tartalmaznak, és nem működnek jól a környezeti levegőben található metánkoncentráció mellett.

Az egyik ígéretes kiindulópont azonban a szénbányák. A szénbányászat világszerte évente több tízmillió tonna metánkibocsátással jár. Bár a széntüzelésű erőműveket sok országban fokozatosan megszüntetik, a szenet nehéz lesz teljesen kiiktatni az acélgyártásban betöltött kulcsfontosságú szerepe miatt - mondja Plata, az MIT munkatársa.

Egy olyan katalizátor kifejlesztéséhez, amely működhetne a szénbányában, Plata az MMO-ban talált inspirációt. Csapata olyan katalizátoranyagot fejlesztett ki, amely rézzel - ugyanezzel a fémmel, amely az MMO-ban is megtalálható, és sokkal olcsóbb, mint a metán oxidálásához általában szükségesek - beágyazott szilikát anyagon alapul. Az anyag porózus is, ami javítja a katalizátor hatékonyságát, mivel nagyobb felülettel rendelkezik, és így több helyen zajlanak le a reakciók, mint egy nem porózus anyag esetében. A katalizátor a metánt CO2-vá alakítja, amely reakció során hő szabadul fel, amely a reakció további beindításához szükséges. Ha a metánkoncentráció elég magas, a reakció önfenntartó lesz, mondja Plata.

A metán CO2-vé alakítása kontraproduktívnak tűnhet, de összességében csökkenti a felmelegedést, mivel a metán sokkal több hőt köt meg, mint a CO2, és sokkal kevesebb van belőle a légkörben. Ha a légkörben lévő összes felesleges metánt CO2-vé alakítanánk, a Jackson által vezetett 2019-es tanulmány szerint ez mindössze 8,2 milliárd tonna CO2 többlet kibocsátását eredményezné - ami a mai arányok mellett mindössze néhány hónapnyi CO2-kibocsátásnak felel meg. A nettó hatás pedig az lenne, hogy a légkör felmelegedése egyhatodával csökkenne.

A szarvasmarhatelepek egy másik olyan hely, ahol a Plata katalitikus reaktor működhetne. A szarvasmarhák kényelme érdekében ventilátorokkal felszerelt istállókban a levegő mozgásban van, így a reaktorokat be lehetne építeni ezekbe a szellőzőrendszerekbe. A következő lépés annak meghatározása, hogy az ipari tejgazdaságokban a metánkoncentráció elég magas-e ahhoz, hogy a katalizátor működjön.

Egy másik kutató, aki előrelépést ért el, az energiatudós és mérnök Arun Majumdar, Jackson egyik munkatársa a Stanfordon. Januárban Majumdar közzétette első eredményeit egy olyan katalizátor leírásáról, amely a metánt metanollá alakítja, a nagyenergiájú ultraibolya fénnyel kiegészítve. Ez az UV-sugárzás növeli a CH4 makacs kötéseinek leküzdéséhez szükséges energiát - és a gondosan megtervezett katalizátor a célon marad. A korábbi katalizátorok általában CO2 és metanol keverékét állítják elő, de ez a katalizátor többnyire metanol előállítására törekszik.

A geomérnökség a metán eltávolításának útja?

A metán természetes lebomlásának felgyorsítására egy szélsőségesebb megközelítés a légkör kémiájának megváltoztatása. Néhány vállalat, például az amerikai székhelyű Blue Dot Change, azt javasolta, hogy a metán oxidációjának fokozása érdekében vegyszereket juttassanak az égbe.

Natalie Mahowald, a Cornell Egyetem légkörkémikusa úgy döntött, hogy átértékeli a geomérnökségnek ezt a típusát.

"Nem vagyok túlságosan izgatott attól, hogy még több dolgot dobjunk a légkörbe" - mondja Mahowald. A Párizsi Megállapodás céljainak elérése érdekében azonban, vagyis a globális felmelegedésnek az iparosodás előtti átlaghoz képest 1,5-2 Celsius-fokra való korlátozására, érdemes minden lehetőséget megvizsgálni - mondja. "Ha el akarjuk érni ezeket a célokat" - mondja - "szükségünk lesz néhány ilyen őrült ötletre, hogy működjön. Szóval hajlandó vagyok megvizsgálni. De a tudósok kritikus szemével nézem."

A javasolt fő stratégia szerint vas aeroszolokat juttatnának a levegőbe az óceán felett egy nap. Ezek az aeroszolok reakcióba lépnének a sós tengeri permet aeroszoljával, és klórt képeznének, amely aztán megtámadná a légkörben lévő metánt, és további kémiai reakciókat indítana el, melyek során az CO2-vé alakulna. Mahowald azon tűnődött, hogy mennyi klórra lenne szükség - és hogy lehetnek-e nem kívánt következmények.

A részletes modellezés riasztó dolgot tárt fel

A vasinjekciók a szándékolt hatás ellenkezőjét eredményezhetik - jelentették Mahowald és kollégái júliusban a Nature Communications című szaklapban. A klór nem támadja meg a metánt, ha van ózon. Ehelyett a klór először lebontja az összes ózont, amit talál. Az ózon azonban kulcsszerepet játszik a hidroxilgyökök előállításában, amelyek természetes módon bontják le a légköri metánt. Mahowald szerint tehát, amikor az ózonszint csökken, a metánmolekulák koncentrációja és élettartama a légkörben valójában növekszik. Ahhoz, hogy ezzel a stratégiával lebontsák a metánt, a geomérnököknek óriási mennyiségű klórt kellene a légkörbe juttatniuk - eleget ahhoz, hogy először az ózon lebomoljon, majd a metánt támadják meg.

Ahhoz, hogy a légkörben lévő metán 20 százalékát eltávolítsák, és így 2050-re például 0,2 Celsius-fokkal csökkentsék a bolygó felszíni hőmérsékletét, évente mintegy 630 millió tonna légköri klór előállítására lenne szükség. Ehhez viszont talán több tízmillió tonna vasat kellene befecskendezni. A részecskék egy formája, a vas aeroszolok ronthatják a levegő minőségét; a részecskék belélegzése számos egészségügyi problémával, különösen szív- és érrendszeri, valamint tüdőbetegségekkel jár. Ez a légköri bütykölés sósavat is létrehozhat, amely az óceánba juthat, és elsavasíthatja azt.

És nincs rá garancia, hogy a klór egy része nem jutna el egészen az ózonrétegig, kimerítve ezzel a bolygó védőpajzsát, amely megvéd minket a Nap káros UV-sugárzásától. Mahowald még tanulmányozza ezt a lehetőséget.

Mahowald ambivalens a geomérnökséggel kapcsolatos kutatásokkal kapcsolatban. "Csak ötleteket dobálunk itt ki, mert szörnyű, szörnyű helyzetben vagyunk" - mondja. Aggódik amiatt, hogy mi történhet, ha a világ permafrosztjába zárt összes metán kiszabadul. Ha a tudósok rájönnek, hogyan lehet a vas aeroszolokat hatékonyan, káros hatások nélkül használni - és ha az ilyen geomérnökséget a társadalom elfogadja -, akkor szükségünk lehet rá.

"Csak azt próbáljuk megnézni, van-e remény arra, hogy ez működhet, és hogy valaha is meg akarjuk-e csinálni? Lenne-e elég előnye ahhoz, hogy ellensúlyozza a hátrányait?"

A Nemzeti Akadémiák által a metán eltávolításának vizsgálatára szervezett bizottság az ilyen jellegű etikai kérdéseket veszi figyelembe, valamint a technológiák lehetséges költségeit és méretét is mérlegeli. Stein, a bizottság egyik tagja szerint a Spark Climate Solutions által javasolt keretrendszer némi útmutatást nyújt. A San Franciscó-i székhelyű nonprofit szervezet, amely a metán-eltávolítási technológiákat értékeli, olyan megközelítések vizsgálatát javasolja, amelyek az elkövetkező évtizedekben évente több tízmillió tonna metánt tudnak eltávolítani, tonnánként kevesebb mint 2000 dollár költséggel. David Mann, a Spark társalapítója szerint a számok célja, hogy a figyelmet és a befektetéseket azokra a technológiákra összpontosítsák, amelyek rövid távon valóban hozzájárulhatnak az éghajlatváltozás megfékezéséhez.

A Nemzeti Akadémiák csoportja jövő nyárig ajánlásokat kíván tenni a metán-eltávolítási technológiák kutatási prioritásairól. Valószínű, hogy különböző technológiák portfóliójára lesz szükség. Ami például egy szarvasmarhatelepen működik, nem biztos, hogy egy szennyvíztisztító telepen is működik.

A metán eltávolítására összpontosító tudósok nagyon várják, hogy több kutató, kutatási finanszírozás és vállalat lépjen be a küzdelembe - méghozzá gyorsan. "Ez egy őrült év volt" - mondja Jackson a 2023-as szélsőséges időjárásról. Már most érezzük a globális felmelegedés hatásait, de szerinte megragadhatjuk a pillanatot. "Ez a probléma nem az unokáinkra vár. Ez már itt van."

Amennyiben tetszett a cikk, illetve más hasonló híreket is szívesen olvasna, itt lájkolhatja Facebook oldalunkat! 

Kapcsolódó anyagok:

Ellep minket a metán, mégsem teszünk semmit

Forrás - A nyitókép csak illusztráció, forrás: Andrea ☕😘 képe a Pixabay -en.