پردازش زیست توده زباله برای کاهش انتشار گازهای گلخانه ای در هوا | اخبار MIT

کشاورزان در سرتاسر جهان برای آماده‌سازی مزارع برای کاشت، اغلب ساقه‌های ذرت، پوسته برنج، یونجه، کاه و سایر ضایعات حاصل از برداشت قبلی را می‌سوزانند. به گفته سازمان بهداشت جهانی، در بسیاری از مکان‌ها، این عمل ابرهای فصلی عظیمی از مه دود ایجاد می‌کند و به آلودگی هوا کمک می‌کند که سالانه ۷ میلیون نفر را در سراسر جهان می‌کشد.

کوین کونگ SM ’13, PhD ’17 می گوید سالانه 120 میلیارد دلار از بقایای محصولات و جنگل ها در سرتاسر جهان در فضای باز سوزانده می شود – این اتلاف عمده منابع در دنیایی است که از کمبود انرژی برخوردار است. کونگ در حال کار برای تبدیل این زیست توده زباله به محصولات قابل فروش – و سرمایه گذاری در یک بازار جهانی میلیارد دلاری – از طریق شرکت MIT خود، تاکاچار است.

تاکاچار که در سال 2015 تأسیس شد، تجهیزات قابل حمل، کم‌هزینه و مقیاس کوچکی را برای تبدیل زیست توده زباله به سوخت جامد با استفاده از انواع روش‌های ترموشیمیایی، از جمله روشی که به نام شکستن بدون اکسیژن شناخته می‌شود، توسعه می‌دهد. این فناوری از پروژه دکتری کونگ در آزمایشگاه احمد گونیم، پروفسور رونالد سی کرین (1972) مهندسی مکانیک در MIT پدیدار شد.

سوخت های زیست توده، از جمله چوب، ذغال سنگ نارس و فضولات حیوانات، منبع اصلی انتشار کربن هستند – اما میلیاردها نفر برای پخت و پز، گرم کردن و سایر نیازهای خانگی به چنین سوخت هایی متکی هستند. در حال حاضر، سوزاندن زیست توده 10 درصد از انرژی اولیه مورد استفاده در سراسر جهان را تولید می کند و این فرآیند عمدتاً در جوامع روستایی و فقیر از انرژی استفاده می شود. ما قرار نیست یک شبه آن را تغییر دهیم. Ghoniem می‌گوید مکان‌هایی وجود دارند که هیچ منبع انرژی دیگری ندارند.

آنچه فناوری تاکاچار ارائه می‌کند، راهی برای استفاده تمیزتر و کارآمدتر از زیست توده با متمرکز کردن سوخت و حذف آلاینده‌هایی مانند رطوبت و کثیفی است، در نتیجه سوختی «تمیز سوز» ایجاد می‌کند – سوختی که دود کمتری تولید می‌کند. Ghoniem می‌گوید: «در جوامع روستایی که زیست‌توده به‌عنوان منبع انرژی اولیه به‌طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرد، آتش‌سازی آلودگی هوا را به طور مستقیم برطرف می‌کند.

عملیات ترموشیمیایی زیست توده را در دماهای بالا متراکم می کند و مواد گیاهی را که معمولاً شل، مرطوب و حجیم هستند به زغال چوب فشرده تبدیل می کند. کونگ می‌گوید کارخانه‌های پردازش متمرکز وجود دارند، اما جمع‌آوری و حمل و نقل موانع عمده‌ای را برای استفاده ایجاد می‌کنند. راه حل تاکاچار، فرآوری را به مزرعه منتقل می کند: تاکاچار تا به امروز با حدود 5500 کشاورز برای فرآوری 9000 متریک تن محصول کار کرده است.

تاکاچار تخمین می زند که فناوری آن پتانسیل کاهش انتشار گازهای گلخانه ای معادل دی اکسید کربن را به میزان گیگاتن در سال در مقیاس دارد. (“معادل دی اکسید کربن” معیاری است که برای سنجش پتانسیل گرمایش جهانی استفاده می شود.) در قدردانی، در سال 2021 تاکاچار برنده اولین جایزه Earthshot در رده هوای پاک شد، جایزه ای 1 میلیون پوندی که توسط شاهزاده ویلیام و بنیاد سلطنتی پرنسس کیت تامین شد. .

ریشه در کنیا

همانطور که کونگ داستان را تعریف می کند، تاکاچار از یک پروژه کلاسی بیرون آمد که او را به کنیا برد – که نام شرکت را توضیح می دهد، ترکیبی از تاکاتاکا، که در زبان سواحیلی به معنی زباله است و کاراکتر، برای محصول نهایی زغال سنگ.

سال 2011 بود و کونگ به عنوان دانشجوی کارشناسی ارشد مهندسی زیست شناسی در MIT بود که بر تحقیقات سرطان متمرکز بود. اما او می‌گوید: «MIT به دانش‌آموزان فرصت اکتشاف زیادی می‌دهد، و من دوره‌هایی را خارج از بخش خود گذراندم». در بهار 2011، او در کلاسی به نام 15.966 (آزمایشگاه تحویل سلامت جهانی) در دانشکده مدیریت MIT Sloan ثبت نام کرد. این کلاس کونگ را به کنیا آورد تا با یک سازمان غیردولتی در کیبرای نایروبی، بزرگترین زاغه شهری آفریقا، کار کند.

کونگ می‌گوید: «ما با خانواده‌های زاغه‌نشین برای دیدگاه‌هایشان در مورد سلامت مصاحبه کردیم، و این زمانی بود که متوجه مشکل زغال چوب شدم. همانطور که کونگ آن را توصیف می کند، مشکل این بود که زغال چوب در همه جا در کیبرا وجود داشت – بیرون انباشته شده بود، در کنار جاده معامله می شد و به عنوان سوخت اولیه حتی در داخل خانه استفاده می شد. ایجاد آن به جنگل زدایی کمک کرد و دود آن یک خطر جدی برای سلامتی ایجاد کرد.

کونگ با اشتیاق برای رسیدگی به این چالش، از ابتکار توسعه بین المللی MIT و مرکز خدمات عمومی Priscilla King Gray حمایت کمک هزینه کرد تا تحقیقات بیشتری در کنیا انجام دهد. در سال 2012، او تاکاچار را به عنوان یک تیم تشکیل داد و از MIT IDEAS Global Challenge، MIT Legatum Center for Development and Entrepreneurship، و D-Lab برای تولید زغال چوب از زباله های آلی خانگی پول اولیه دریافت کرد. (این کار همچنین منجر به ایجاد یک شرکت کود به نام Safi Organics شد که کونگ در سال 2016 با کمک MIT IDEAS تأسیس کرد. اما این داستان دیگری است.)

در همین حال، کونگ اولویت اصلی دیگری داشت: یافتن موضوعی برای پایان نامه دکتری خود. او در دانشگاه MIT با الکساندر اسلوکام، والتر ام. می و ا. هیزل می، پروفسور مهندسی مکانیک آشنا شد، که در یک پیاده روی طولانی در کنار رودخانه چارلز به او پیشنهاد کردند کار کنیا را به پایان نامه تبدیل کند. اسلوکام او را با رابرت استونر، معاون مدیر علوم و فناوری در MIT Energy Initiative (MITEI) و مدیر مؤسس مرکز فناوری و طراحی تاتا MITEI مرتبط کرد. استونر به نوبه خود کونگ را به گونیم معرفی کرد که مشاور دکترای او شد، در حالی که اسلوکام و استونر به کمیته دکتری او پیوستند.

ریشه در آزمایشگاه MIT

گفتن گونیم از داستان تاکاچار، جای تعجب نیست، در آزمایشگاه آغاز می شود. در سال 2010، او یک دانشجوی کارشناسی ارشد داشت که به انرژی های تجدیدپذیر علاقه مند بود، و او به دانشجو پیشنهاد کرد که در مورد زیست توده تحقیق کند. آن دانشجو، ریچارد بیتس ’10، SM ’12، دکترای ’16، شروع به کاوش در علم تبدیل زیست توده به زغال چوب تمیزتر از طریق شکستن کرد.

گونیم توضیح می‌دهد که اکثر سیستم‌های شکستگی (همچنین به عنوان پیرولیز در دمای پایین نیز شناخته می‌شوند) از منابع گرمایش خارجی استفاده می‌کنند، اما هدف آزمایشگاه، Ghoniem توضیح می‌دهد که توسعه یک راکتور کارآمد و خودپایدار است که انتشار کمتری تولید کند. او می‌گوید: «ما قبل از رفتن به آزمایشگاه برای ساختن دستگاه، باید شیمی و فیزیک فرآیند را درک می‌کردیم و مدل‌های مقیاس‌بندی اساسی را توسعه می‌دادیم.

زمانی که کونگ در سال 2013 به آزمایشگاه پیوست، گونیم با مرکز تاتا برای شناسایی فناوری مناسب برای کشورهای در حال توسعه و عمدتاً مبتنی بر انرژی های تجدیدپذیر کار می کرد. کونگ توانست کمک مالی تاتا را تضمین کند و – بر اساس تحقیقات بیتس – دستگاهی در مقیاس کوچک و عملی برای تبدیل ترموشیمیایی زیست توده در زمینه ای که تاکاچار را راه اندازی کرد، توسعه دهد.

این دستگاه که توسط MIT با مخترعان کونگ، گونیم، استونر، دانشمند تحقیقاتی MIT Santosh Shanbhogue و Slocum ثبت شده است، مستقل و مقیاس پذیر است. برای تولید گرما کمی از زیست توده را می سوزاند. این گرما بقیه زیست توده را پخته و گازها را آزاد می کند. سپس سیستم هوا را وارد می کند تا این گازها را قادر به احتراق کند، که مواد فرار را می سوزاند و گرمای بیشتری تولید می کند و واکنش ترموشیمیایی را ادامه می دهد.

Ghoniem توضیح می‌دهد: «ترفند این است که چگونه می‌توان مقدار مناسبی از هوا را در مکان مناسب برای حفظ فرآیند معرفی کرد. “اگر هوای بیشتری وارد کنید، زیست توده می سوزد. اگر کمتر وارد کنید، حرارت کافی برای تولید زغال چوب وجود نخواهد داشت. این واکنش را متوقف خواهد کرد.»

کونگ می‌گوید حدود 10 درصد از زیست توده به عنوان سوخت برای حمایت از واکنش استفاده می‌شود و می‌افزاید: «90 درصد به شکلی متراکم می‌شود که حمل و استفاده آسان‌تر است». او خاطرنشان می‌کند که این تحقیق از آزمایشگاه سیستم‌های آب و غذای عبداللطیف جمیل و مرکز نوآوری فناوری Deshpande، هر دو در MIT، حمایت مالی کرده است. سونال ثنگان، یکی دیگر از فوق دکترای آزمایشگاه Ghoniem، در تلاش برای افزایش مقیاس فناوری در آزمایشگاه شرکت کرد. آزمایشگاه MIT بیتس (بدون ارتباط با ریچارد بیتس).

کونگ می گوید که زغال چوب تولید شده در هر تن ارزش بیشتری دارد و حمل و نقل و فروش آن آسان تر از زیست توده است، هزینه های حمل و نقل را به میزان دو سوم کاهش می دهد و فرصت درآمد اضافی را به کشاورزان می دهد – و انگیزه ای برای نسوختن زباله های کشاورزی است. درآمد بیشتر برای کشاورزان وجود دارد و کیفیت هوا بهتر است.»

ریشه در هند

زمانی که کونگ عضو تاتا شد، به برنامه‌ای پیوست که برای مقابله با بزرگترین چالش‌های جهان در حال توسعه با تمرکز بر هند تأسیس شده بود. به گفته استونر، همکاران تاتا، از جمله کونگ، معمولاً دو بار در سال از هند بازدید می‌کنند و شش تا هشت هفته با سهامداران در صنعت، دولت و جوامع ملاقات می‌کنند تا دیدگاه‌هایی در زمینه‌های تحصیلی خود پیدا کنند.

کونگ که با صدها کشاورز خرده مالک مصاحبه کرد، با رانندگان کامیون ملاقات کرد و در طول سفرهای تاتا به هند از کارخانه‌های پردازش زیست توده موجود بازدید کرد، می‌گوید: «یک بخش منحصر به فرد تاتا این است که شما اکوسیستم را به عنوان یک کل در نظر می‌گیرید. (در طول راه، او همچنین با مهندس هندی Vidyut Mohan ارتباط برقرار کرد که یکی از بنیانگذاران تاکاچار شد.)

استونر می گوید: «برای کوین بسیار مهم بود که در آنجا قدم بزند، آزمایش کند و با کشاورزان مصاحبه کند. “او در مورد زندگی کشاورزان آموخت.”

این تجربیات به کونگ کمک کرد تا قدردانی از کشاورزان کوچک را القا کند که هنوز هم او را به سمت امروز سوق می‌دهد، زیرا تاکاچار اولین برنامه‌های آزمایشی خود را اجرا می‌کند، فناوری را سرهم‌بندی می‌کند، تیم خود را افزایش می‌دهد (اکنون به 10 نفر می‌رسد)، و تلاش می‌کند تا یک جریان درآمد ایجاد کند. بنابراین، در حالی که تاکاچار مورد توجه و تمجیدهای زیادی قرار گرفته است – از جایزه IDEAS گرفته تا جایزه Earthshot – کونگ می‌گوید آنچه که او را تشویق می‌کند چشم‌انداز بهبود زندگی مردم است.

او می گوید که رویا این است که جوامع را توانمند کنیم تا هم به سیاره زمین و هم به خودشان کمک کنند. او می گوید: «ما از دیدگاه عدالت زیست محیطی هیجان زده هستیم. “کار ما تولید و حذف کربن یا اجتناب از آن را برای جوامع روستایی به ارمغان می آورد – راهی برای تبدیل زباله ها، کسب درآمد و کاهش آلودگی هوا در اختیار آنها قرار می دهد.”

این مقاله در بهار 2022 موضوع از آتی انرژی، مجله MIT Energy Initiative.