يبتكر المهندسون تقنية لمنع تلوث المفاعلات الحيوية الضوئية لالتقاط ثاني أكسيد الكربون

توصل باحثون من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا إلى تقنية بسيطة وغير مكلفة يمكن أن تحد بشكل كبير من هذا التلوث، مما قد يسمح بطريقة أكثر كفاءة واقتصادية لتحويل غازات الدفيئة غير المرغوب فيها إلى منتجات مفيدة.

المفتاح هو طلاء الحاويات الشفافة بمادة يمكنها حمل شحنة كهروستاتيكية، ثم تطبيق جهد كهربائي صغير جدًا على تلك الطبقة. لقد نجح النظام بشكل جيد في الاختبارات المعملية، ومع مزيد من التطوير يمكن تطبيقه على الإنتاج التجاري في غضون بضع سنوات.

ويتم نشر النتائج في المجلة مواد وظيفية متقدمة، في ورقة بحثية كتبها فيكتور ليون، خريج معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) الحاصل على درجة الدكتوراه '23، وأستاذ الهندسة الميكانيكية كريبا فاراناسي، وباحث ما بعد الدكتوراه السابق بابتيست بلانك، والطالبة الجامعية صوفيا سونيرت.

ويشير فاراناسي إلى أنه بغض النظر عن مدى نجاح الجهود المبذولة للحد من انبعاثات الكربون أو القضاء عليها، ستظل هناك غازات دفيئة زائدة ستبقى في الغلاف الجوي لقرون قادمة، وستستمر في التأثير على المناخ العالمي. ويقول: 'يوجد بالفعل الكثير من ثاني أكسيد الكربون، لذا علينا أن ننظر إلى تقنيات الانبعاثات السلبية أيضًا'، في إشارة إلى طرق إزالة الغازات الدفيئة من الهواء أو المحيطات، أو من مصادرها قبل إطلاقها. في الهواء في المقام الأول.

عندما يفكر الناس في الأساليب البيولوجية للحد من ثاني أكسيد الكربون، فإن أول ما يفكرون فيه عادة هو زراعة الأشجار أو حمايتها، والتي تشكل في الواقع 'بالوعة' بالغة الأهمية للكربون الجوي. ولكن هناك آخرون. يقول فاراناسي: 'تمثل الطحالب البحرية حوالي 50 بالمائة من ثاني أكسيد الكربون العالمي الذي تمتصه الأرض اليوم'. تنمو هذه الطحالب بسرعة أكبر من 10 إلى 50 مرة مقارنة بالنباتات الأرضية، ويمكن زراعتها في أحواض أو خزانات لا تشغل سوى عُشر مساحة الأرض للنباتات الأرضية.

علاوة على ذلك، يمكن للطحالب نفسها أن تكون منتجًا مفيدًا. ويقول فاراناسي: 'إن هذه الطحالب غنية بالبروتينات والفيتامينات والمواد المغذية الأخرى'، مشيراً إلى أنها يمكن أن تنتج ناتجاً غذائياً أكبر بكثير لكل وحدة من الأراضي المستخدمة من بعض المحاصيل الزراعية التقليدية.

إذا تم ربطها بمخرج غاز المداخن من محطة توليد الطاقة بالفحم أو الغاز، فإن الطحالب لا يمكنها أن تزدهر فقط على ثاني أكسيد الكربون كمصدر للمغذيات، ولكن يمكن لبعض أنواع الطحالب الدقيقة أيضًا أن تستهلك أكاسيد النيتروجين والكبريت المرتبطة الموجودة في هذه الانبعاثات. 'لكل اثنين أو ثلاثة كيلوغرامات من ثاني أكسيد الكربون₂يقول فاراناسي: 'يمكن إنتاج كيلوغرام من الطحالب، ويمكن استخدامها كوقود حيوي، أو لأوميغا 3، أو كغذاء'.

تعتبر أحماض أوميجا 3 الدهنية من المكملات الغذائية المستخدمة على نطاق واسع، حيث إنها جزء أساسي من أغشية الخلايا والأنسجة الأخرى ولكن لا يمكن للجسم تصنيعها ويجب الحصول عليها من الطعام. ويقول فاراناسي: 'إن أوميغا 3 جذابة بشكل خاص لأنها منتج ذو قيمة أعلى بكثير'.

تتم زراعة معظم الطحالب المزروعة تجاريًا في أحواض ضحلة، بينما تتم زراعة البعض الآخر في أنابيب شفافة تسمى المفاعلات الحيوية الضوئية. يمكن أن تنتج الأنابيب إنتاجًا أكبر بسبعة إلى 10 مرات من البرك لمساحة معينة من الأرض، لكنها تواجه مشكلة كبيرة: تميل الطحالب إلى التراكم على الأسطح الشفافة، مما يتطلب إغلاقًا متكررًا لنظام الإنتاج بأكمله للتنظيف، مما قد يؤدي إلى تفاقم المشكلة. يستغرق وقتا طويلا مثل الجزء الإنتاجي من الدورة، وبالتالي خفض الناتج الإجمالي إلى النصف وإضافة إلى التكاليف التشغيلية.

ويحد التلوث أيضًا من تصميم النظام. لا يمكن أن تكون الأنابيب صغيرة جدًا لأن القاذورات ستبدأ في منع تدفق المياه عبر المفاعل الحيوي وتتطلب معدلات ضخ أعلى.

قرر فاراناسي وفريقه محاولة استخدام الخصائص الطبيعية لخلايا الطحالب للدفاع ضد التلوث. ونظرًا لأن الخلايا تحمل بشكل طبيعي شحنة كهربائية سالبة صغيرة على سطح غشائها، فقد توصل الفريق إلى أنه يمكن استخدام التنافر الكهروستاتيكي لدفعها بعيدًا.

كانت الفكرة هي خلق شحنة سالبة على جدران الوعاء، بحيث يجبر المجال الكهربائي خلايا الطحالب بعيدًا عن الجدران. يتطلب إنشاء مثل هذا المجال الكهربائي مادة عازلة عالية الأداء، وهي عازل كهربائي ذو 'سماحية' عالية يمكن أن ينتج تغيرًا كبيرًا في الشحنة السطحية بجهد أصغر.

'ما فعله الناس من قبل فيما يتعلق بتطبيق الجهد الكهربي [على المفاعلات الحيوية] كان باستخدام الأسطح الموصلة'، يشرح ليون، 'ولكن ما نفعله هنا على وجه التحديد مع الأسطح غير الموصلة'.

ويضيف: 'إذا كان موصلاً، فإنك تمرر تياراً وتصدم الخلايا نوعاً ما. ما نحاول القيام به هو التنافر الكهروستاتيكي النقي، وبالتالي يكون السطح سالباً والخلية سالبة وبالتالي تحصل على التنافر'. هناك طريقة أخرى لوصف الأمر مثل مجال القوة، حيث كانت الخلايا في السابق تلامس السطح وتصاب بالصدمة.'

عمل الفريق باستخدام مادتين عازلتين مختلفتين، ثاني أكسيد السيليكون - الزجاج بشكل أساسي - والهافنيا (أكسيد الهافنيوم)، وكلاهما تبين أنهما أكثر كفاءة في تقليل التلوث من المواد البلاستيكية التقليدية المستخدمة في صنع المفاعلات الحيوية الضوئية. يمكن تطبيق هذه المادة في طبقة رقيقة للغاية، تبلغ سماكتها من 10 إلى 20 نانومتر (جزء من المليار من المتر)، لذلك لن تكون هناك حاجة إلا إلى القليل جدًا لتغطية نظام مفاعل حيوي ضوئي كامل.

يقول فاراناسي: 'ما نحن متحمسون له هنا هو أننا قادرون على إظهار أنه من خلال التفاعلات الكهروستاتيكية البحتة، نحن قادرون على التحكم في التصاق الخلايا'. 'يشبه الأمر تقريبًا مفتاح التشغيل والإيقاف، لتتمكن من القيام بذلك.'

بالإضافة إلى ذلك، يقول ليون: 'نظرًا لأننا نستخدم هذه القوة الكهروستاتيكية، فإننا لا نتوقع حقًا أن تكون خاصة بالخلية، ونعتقد أن هناك إمكانية لتطبيقها على خلايا أخرى غير الطحالب فقط. وفي العمل المستقبلي، نحن' أود تجربة استخدامه مع خلايا الثدييات والبكتيريا والخميرة وما إلى ذلك.' ويمكن استخدامه أيضًا مع أنواع أخرى قيمة من الطحالب، مثل سبيرولينا، التي تستخدم على نطاق واسع كمكملات غذائية.

ويمكن استخدام نفس النظام إما لصد الخلايا أو جذبها بمجرد عكس الجهد الكهربي، اعتمادًا على التطبيق المحدد. يقترح فاراناسي أنه بدلاً من الطحالب، يمكن استخدام إعداد مماثل مع الخلايا البشرية لإنتاج أعضاء صناعية عن طريق إنتاج سقالة يمكن شحنها لجذب الخلايا إلى التكوين الصحيح.

ويقول: 'إن دراستنا تحل بشكل أساسي هذه المشكلة الرئيسية المتمثلة في الحشف الحيوي، والتي كانت بمثابة عنق الزجاجة للمفاعلات الحيوية الضوئية'. 'بفضل هذه التكنولوجيا، يمكننا الآن تحقيق الإمكانات الكاملة' لهذه الأنظمة، على الرغم من أن هناك حاجة إلى مزيد من التطوير للارتقاء إلى أنظمة عملية وتجارية.

أما بالنسبة للموعد الذي يمكن أن يصبح فيه هذا الجهاز جاهزًا للنشر على نطاق واسع، فيقول: 'لا أرى لماذا لا يكون ذلك خلال إطار زمني مدته ثلاث سنوات، إذا حصلنا على الموارد المناسبة حتى نتمكن من المضي قدمًا بهذا العمل'.

تم دعم الدراسة من قبل شركة الطاقة Eni SpA، من خلال مبادرة الطاقة لمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا.