Улавливает CO₂ менее чем за секунду: учёные тестируют более быстрый способ очистки воздуха

Швейцарская лаборатория материаловедения Empa предлагает по-новому взглянуть на прямой улавливание CO₂ из воздуха (Direct Air Capture, DAC). Вместо массивных пористых фильтров, которые долго «набирают» углекислый газ, исследователи хотят использовать сверхтонкие покрытия. Они будут улавливать совсем мало CO₂ за раз, зато полный цикл будет длиться менее секунды. Пока что это концепция, подкрепленная расчетами, а не рабочий прототип.

Почему «пылесосы» для CO₂ не справляются

Главная проблема DAC — крайне низкая концентрация газа. По данным Empa, в воздухе сейчас около 430 частиц CO₂ на миллион, то есть примерно одна молекула на 2300 других. Чтобы собрать хотя бы тонну, установки пропускают через себя колоссальные объёмы воздуха, а затем ещё и нагревают фильтр, чтобы высвободить уловленное вещество. Именно регенерация сорбента является самым энергоёмким этапом процесса, подчеркивают авторы обзора в журнале «Journal of CO2 Utilization».

Снижение затрат

Крупнейший в мире завод такого типа — исландский Mammoth компании Climeworks — рассчитан на 36 тыс. тонн CO₂ в год. Однако за первую половину 2026 года он обеспечил лишь 675 тонн чистого удаления, хотя это в пять раз больше, чем годом ранее, свидетельствуют данные компании. Даже если умножить этот результат на год, получится менее 4 % от проектной мощности.

С тех пор Climeworks отчитывается о сокращении операционных затрат на тонну более чем вдвое, но конкретной цифры не называет. Международное энергетическое агентство ранее оценивало стоимость улавливания и хранения для существующих проектов в 600–1000 долларов за тонну.

Меньше за раз, но чаще

Идея Empa противоположна существующим подходам. Обычный сорбент, то есть вещество, поглощающее газ, работает как губка: CO₂ проникает глубоко в его структуру, поэтому материалу требуются минуты, чтобы насытиться, и столько же, чтобы его прогреть и «отжать». Новое покрытие на основе аминов (органических соединений азота, которые хорошо связывают CO₂) ведет себя иначе: газ оседает непосредственно на поверхности, как объясняют в лаборатории.

Тонкий слой обладает очень малой тепловой массой: его можно нагреть и охладить практически мгновенно, поэтому на высвобождение каждой молекулы газа уходит меньше энергии. Поиск эффективных сорбентов в настоящее время является одной из самых актуальных тем в химии: в прошлом году Нобелевскую премию присудили за металлоорганические каркасы, способные поглощать CO₂.

Конвейер для углекислого газа

Монтаж инженеры сравнивают с ленточным конвейером. Поверхность с покрытием непрерывно перемещается, например, на вращающихся цилиндрах, и проходит через две зоны. В первой мимо неё проходит обычный воздух, и CO₂ «прилипает» к слою. Во второй зоне покрытие нагревают при пониженном давлении, газ отрывается, а поверхность отправляется на новый круг.

Разделение зон дает еще одно преимущество. Для улавливания требуется много пространства и воздуха, а для отделения, напротив, как можно меньший объём, так как тогда меньше энергии уходит на создание вакуума и нагрев. Кроме того, движение поверхности может частично перегонять воздух и сэкономить на вентиляторах. Вместе с регенерацией они потребляют в современных установках около 2000–3000 кВт·ч на тонну CO₂, по оценкам исследователей.

По словам Гальмарини, современные технологии оправдывают себя преимущественно в крупных масштабах, а модульный подход позволил бы создавать и небольшие, более гибкие системы. На масштаб делают ставку и другие игроки рынка: американская компания Heirloom, которая запустила первый коммерческий завод DAC в США стремится достичь объема производства в миллионы тонн в год.

Пока что только симуляции

Главное замечание: цикл продолжительностью менее секунды экспериментально пока никто не продемонстрировал. Команды Сандры Гальмарини, Дирка Гегеманна, Дорины Оприс и Манфреда Гойбергера исследовали несколько типов сверхтонких покрытий и провели первые моделирования потоков и процесса. Расчеты показали, что быстрое усвоение в принципе может быть конкурентоспособным. Но оборудования, которое позволило бы измерить процессы, длительность которых составляет доли секунды, пока нет.

Поэтому сначала в Empa создадут новую измерительную платформу, чтобы впервые отследить, как быстро CO₂ связывается с тонким слоем и отходит от него. Далее понадобится экспериментальная установка: на ней проверят, выдерживает ли покрытие много циклов и как ведут себя уплотнения и зоны давления на высоких оборотах. Ключевой вопрос заключается в том, хватит ли количества CO₂ на единицу объема и времени, чтобы соперничать с существующими технологиями.

От воздуха до бетона

Проект является частью крупной инициативы Empa Mining the Atmosphere («Добыча из атмосферы»), над которой работают более 120 ученых. Ее цель — не просто захоранивать CO₂ под землей, а преобразовывать его в химические вещества и материалы. Ранее исследователи лаборатории подсчитали, что в виде заполнителей для бетона можно было бы ежегодно сохранять 5–10 млрд тонн углерода.

Над прямым улавливанием работают и в Украине. Стартап Carbominer разрабатывает установку из двух модульных блоков — для улавливания и для регенерации CO₂ — и ориентируется в первую очередь на теплицы, которым требуется углекислый газ. Компания получила грант EIC Accelerator в размере 1,5 млн евро. Именно для таких небольших и гибких систем, по словам исследователей Empa, их подход мог бы оказаться наиболее полезным.

Источник: Empa