Воздух вокруг нас содержит мощное решение для повышения устойчивости сельского хозяйства. Исследователи из Стэнфордского университета и Университета нефти и минералов имени короля Фахда в Саудовской Аравии разработали прототип устройства, которое может производить аммиак — ключевой ингредиент удобрений — используя энергию ветра для протягивания воздуха через сетку.
Разработанный ими подход, если его усовершенствовать, может устранить необходимость в вековом методе, который производит аммиак путем соединения азота и водорода при высоких давлениях и температурах. Старый метод потребляет 2% мировой энергии и вносит 1% годовых выбросов углекислого газа из-за своей зависимости от природного газа.
Исследование, опубликованное 13 декабря в Science Advances , включало первую демонстрацию технологии на месте, а не в лаборатории. Исследователи предполагают, что когда-нибудь устройство будет интегрировано в ирригационные системы , что позволит фермерам получать удобрения непосредственно из воздуха.
«Этот прорыв позволяет нам использовать азот в нашем воздухе и производить аммиак устойчивым образом», — сказал старший автор исследования Ричард Заре, профессор естественных наук имени Маргерит Блейк Уилбур в Стэнфордской школе гуманитарных и естественных наук. «Это значительный шаг к децентрализованному и экологичному подходу к сельскому хозяйству».
Более чистая альтернатива
При подготовке к проектированию своего устройства исследователи изучали, как различные факторы окружающей среды, такие как влажность, скорость ветра , уровень соли и кислотность, влияют на выработку аммиака. Они также изучали, как размер капель воды, концентрация раствора и контакт воды с материалами, которые не растворяются в воде, влияют на процесс.
Наконец, они протестировали наилучшую смесь оксида железа и кислотного полимера с фтором и серой, чтобы определить идеальные условия для производства аммиака и понять, как эти каталитические материалы взаимодействуют с каплями воды.
Процесс команды Стэнфорда делает аммиак чистым и недорогим и использует окружающий воздух для получения азота и водорода из водяного пара. Пропуская воздух через сетку, покрытую катализаторами для облегчения необходимой реакции, исследователи произвели достаточно аммиака с достаточно высокой концентрацией, чтобы использовать его в качестве гидропонного удобрения в теплицах.
В отличие от традиционных методов, новая технология работает при комнатной температуре и стандартном атмосферном давлении, не требуя внешнего источника напряжения, подключаемого к сетке. Фермеры могут запускать портативное устройство на месте, устраняя необходимость в покупке и доставке удобрений от производителя.
«Такой подход значительно сокращает углеродный след производства аммиака», — сказал ведущий автор исследования Сяовэй Сун, научный сотрудник-химик из Стэнфорда.
В лабораторных экспериментах команда продемонстрировала дальнейший потенциал, перерабатывая воду через систему распыления, достигая концентрации аммиака, достаточной для удобрения растений, выращиваемых в теплице, всего за два часа. Благодаря включению фильтра из микропористого каменного материала этот подход может производить достаточно аммиака для поддержки более широких сельскохозяйственных применений.
Будущее без ископаемого топлива
По словам соавтора исследования Чанбаши Башир из Университета нефти и минералов имени короля Фахда, устройство будет готово к выходу на рынок через два-три года. В то же время исследователи планируют использовать все более крупные сетчатые системы для производства большего количества аммиака. «Есть много возможностей для развития этого», — сказал Башир.
Значение аммиака выходит за рамки удобрений. Как чистый энергоноситель, он может хранить и транспортировать возобновляемую энергию более эффективно, чем водородный газ, благодаря своей более высокой плотности энергии. Инновация позиционирует аммиак как стержень в декарбонизирующих отраслях, таких как судоходство и производство электроэнергии.
«Зеленый аммиак представляет собой новый рубеж в устойчивом развитии», — сказал Заре. «Этот метод, если его можно будет масштабировать экономически, может радикально сократить нашу зависимость от ископаемого топлива во многих секторах».