Jak tworzywa sztuczne mogą zaskakująco pomóc w walce ze zmianami klimatu

Co wspólnego ma twój samochód, telefon, butelka po napoju i buty? Wszystkie są w dużej mierze wykonane z ropy naftowej. Ten nieodnawialny surowiec jest przetwarzany w uniwersalny zestaw chemikaliów zwanych polimerami - lub częściej w tworzywa sztuczne. Ponad 5 miliardów galonów ropy rocznie jest przetwarzanych na same tworzywa sztuczne.

Polimery stoją za wieloma ważnymi wynalazkami z ostatnich kilkudziesięciu lat, takimi jak drukowanie 3D. Tak zwane „tworzywa konstrukcyjne”, stosowane w zastosowaniach od motoryzacji po konstrukcję, meble, mają doskonałe właściwości i mogą nawet pomóc w rozwiązywaniu problemów środowiskowych. Na przykład dzięki inżynieryjnym tworzywom sztucznym pojazdy są teraz lżejsze, dzięki czemu uzyskują lepszy przebieg paliwa. Ale wraz ze wzrostem liczby zastosowań rośnie zapotrzebowanie na tworzywa sztuczne. Świat produkuje już ponad 300 milionów ton plastiku rocznie. Liczba ta może być sześć razy większa niż do 2050 roku.

Tworzywa sztuczne nie są zasadniczo takie złe, ale są straconą szansą. Na szczęście istnieje alternatywa. Przejście z polimerów na bazie ropy na polimery na bazie biologicznej może zmniejszyć emisję dwutlenku węgla o setki milionów ton rocznie. Biopochodne polimery są nie tylko odnawialne i bardziej przyjazne dla środowiska do produkcji, ale w rzeczywistości mogą mieć korzystny wpływ na zmiany klimatu, działając jako pochłaniacz dwutlenku węgla. Ale nie wszystkie biopolimery są sobie równe.

Degradowalne biopolimery

Być może wcześniej spotkałeś się z „bioplastikami”, w szczególności jako jednorazowymi naczyniami - te tworzywa sztuczne pochodzą z roślin zamiast z oleju. Takie biopolimery są wytwarzane przez karmienie cukrów, najczęściej z trzciny cukrowej, buraków cukrowych lub kukurydzy, mikroorganizmom, które wytwarzają cząsteczki prekursorów, które mogą być oczyszczone i połączone chemicznie, tworząc polimery o różnych właściwościach.

Tworzywa pochodzenia roślinnego są lepsze dla środowiska z dwóch powodów. Po pierwsze, istnieje znaczna redukcja energii potrzebnej do produkcji tworzyw sztucznych na bazie roślin - aż o 80 procent. Podczas gdy każda tona plastiku ropopochodnego wytwarza od dwóch do trzech ton CO₂, można to zmniejszyć do około 0,5 tony CO₂ na tonę biopolimeru, a procesy stają się coraz lepsze.

Po drugie, tworzywa sztuczne pochodzenia roślinnego mogą ulegać biodegradacji, więc nie gromadzą się na wysypiskach.

Chociaż jest to idealne rozwiązanie dla produktów jednorazowego użytku, takich jak plastikowe widelce do biodegradacji, czasami ważna jest dłuższa żywotność - prawdopodobnie nie chciałbyś, aby deska rozdzielcza samochodu powoli zmieniała się w stos grzybów z czasem. Wiele innych zastosowań wymaga tego samego rodzaju odporności, takich jak materiały budowlane, urządzenia medyczne i sprzęt gospodarstwa domowego. Biodegradowalne biopolimery również nie nadają się do recyklingu, co oznacza, że ​​więcej roślin musi być uprawianych i przetwarzanych w sposób ciągły, aby zaspokoić popyt.

Bio-polimery jako magazyn węglowy

Tworzywa sztuczne, niezależnie od źródła, są głównie wykonane z węgla - około 80 procent wagowych. Podczas gdy tworzywa sztuczne pochodzące z ropy naftowej nie uwalniają CO₂ w taki sam sposób, w jaki spalają paliwa kopalne, nie pomagają one również pochłaniać nadmiaru tego zanieczyszczenia gazowego - węgiel z ciekłego oleju jest po prostu przekształcany w stałe tworzywa sztuczne.

Z drugiej strony biopolimery pochodzą z roślin, które wykorzystują fotosyntezę do przekształcania CO₂, wody i światła słonecznego w cukry. Gdy te cząsteczki cukru zostaną przekształcone w biopolimery, węgiel zostanie skutecznie zamknięty w atmosferze - o ile nie ulegnie biodegradacji lub spaleniu. Nawet jeśli biopolimery znajdą się na składowisku odpadów, nadal będą pełnić rolę składowania dwutlenku węgla.

CO₂ to tylko około 28 procent wagowych węgla, więc polimery stanowią ogromny zbiornik, w którym można przechowywać ten gaz cieplarniany. Gdyby obecna światowa roczna podaż około 300 milionów ton polimerów była nieulegająca biodegradacji i oparta na biologii, oznaczałoby to gigaton - miliard ton - sekwestrowanego CO₂, czyli około 2,8 procent obecnych globalnych emisji. W niedawnym raporcie Międzyrządowy Zespół ds. Zmian Klimatu przedstawił przechwytywanie, przechowywanie i ponowne wykorzystanie węgla jako kluczową strategię łagodzenia zmian klimatycznych; Polimery biologiczne mogą wnieść kluczowy wkład, nawet do 20 procent usuwania CO required wymaganego do ograniczenia globalnego ocieplenia do 1,5 stopnia Celsjusza.

Nieulegający rozkładowi rynek biopolimerów

Obecne strategie sekwestracji dwutlenku węgla, w tym geologiczne składowanie, które pompuje CO2 pod ziemią lub regeneracyjne rolnictwo, które przechowuje więcej węgla w glebie, w dużym stopniu opierają się na polityce prowadzącej do pożądanych wyników.

Chociaż są to kluczowe mechanizmy łagodzenia zmian klimatu, sekwestracja węgla w postaci biopolimerów może potencjalnie wykorzystać inny czynnik: pieniądze.

Konkurencja oparta na samej cenie stanowiła wyzwanie dla biopolimerów, ale wczesne sukcesy pokazują drogę ku większej penetracji. Jednym z ekscytujących aspektów jest możliwość uzyskania dostępu do nowych substancji chemicznych, które obecnie nie występują w polimerach na bazie ropy naftowej.

Rozważ możliwość recyklingu. Niewiele tradycyjnych polimerów nadaje się do recyklingu. Materiały te są najczęściej poddawane procesowi downcycingu, co oznacza, że ​​nadają się tylko do zastosowań o niskiej wartości, takich jak materiały budowlane. Jednak dzięki narzędziom inżynierii genetycznej i enzymatycznej właściwości takie jak całkowita recykling - co pozwala na wielokrotne wykorzystanie materiału do tego samego zastosowania - można od początku zaprojektować w biopolimery.

Współczesne biopolimery opierają się głównie na naturalnych produktach fermentacji niektórych gatunków bakterii, takich jak produkcja kwasu mlekowego przez Lactobacillus - ten sam produkt, który zapewnia cierpkość piwom kwaśnym. Choć stanowią one dobry pierwszy krok, pojawiające się badania sugerują, że prawdziwa wszechstronność biopolimerów zostanie uwolniona w nadchodzących latach. Dzięki nowoczesnej zdolności do projektowania białek i modyfikowania DNA, niestandardowy projekt prekursorów biopolimerów jest już w zasięgu ręki. Dzięki niemu staje się możliwy świat nowych polimerów - materiały, w których dzisiejszy CO₂ będzie się znajdować w bardziej użytecznej, bardziej wartościowej formie.

Aby spełnić to marzenie, potrzebne są dalsze badania. Podczas gdy wczesne przykłady są dzisiaj dostępne - jak częściowo oparta na bio-Coca-Cola PlantBottle - bioinżynieria wymagana do osiągnięcia wielu najbardziej obiecujących nowych biopolimerów jest nadal w fazie badań - jak odnawialna alternatywa dla włókna węglowego, którą można by wykorzystać we wszystkim, od rowerów po łopaty turbin wiatrowych.

Polityki rządowe wspierające sekwestrację dwutlenku węgla również przyczyniłyby się do przyspieszenia przyjęcia. Dzięki takiemu wsparciu znaczące wykorzystanie biopolimerów jako składowania dwutlenku węgla jest możliwe już w ciągu najbliższych pięciu lat - harmonogram z potencjałem do znaczącego przyczynienia się do rozwiązania kryzysu klimatycznego.

Ten artykuł został pierwotnie opublikowany w The Conversation przez Josepha Rollina i Jennę E. Gallegos. Przeczytaj oryginalny artykuł tutaj.