Nova janela para a captura direta do ar de dióxido de carbono na University of Colorado Boulder

Parece uma ideia quase óbvia: retirar dióxido de carbono diretamente do ar. Entra ar, sai carbono. Só que, no interior daqueles enormes sistemas de captura, a química tem ficado, em grande medida, fora de vista.

Os cientistas sabiam que o processo funcionava. O que lhes escapava era a zona de reação minúscula onde o ar e o líquido se encontram - e onde ocorre a química mais decisiva.

Esse ponto cego tem sido um motivo de frustração durante anos. E não é por falta de urgência: as empresas já estão a erguer centrais gigantes de captura direta do ar, incluindo uma instalação em construção no Texas pensada para remover 500 000 toneladas de CO2 por ano.

Mesmo com projetos a avançarem rapidamente, continuava a faltar uma imagem clara do que se passava dentro do próprio líquido de captura.

Agora, investigadores da University of Colorado Boulder afirmam ter finalmente aberto essa “caixa negra”.

Um olhar mais próximo sobre a captura de carbono

A captura direta do ar, muitas vezes abreviada como DAC, é uma de várias tecnologias em desenvolvimento para reduzir os gases com efeito de estufa na atmosfera.

Um método comum recorre a um líquido altamente alcalino à base de hidróxido de potássio, também conhecido como potassa cáustica. À medida que o ar atravessa o líquido, o CO2 reage e transforma-se em compostos de carbonato dissolvidos.

Esta base química é conhecida há décadas. O entrave era a observação direta.

Os investigadores conseguiam medir o que entrava no sistema e o que saía, mas não conseguiam ver a estreita região microscópica onde a reação se desenrolava.

“Este é mesmo um caso de: se queres saber algo, olha - com muita atenção - e, neste caso, houve trabalho a fazer antes de conseguirmos olhar em detalhe”, disse Jason Pfeilsticker, investigador principal do projeto.

Essa informação em falta é importante porque pequenas alterações na interface podem mudar a quantidade de CO2 capturada, a energia exigida pelo processo e o custo de exploração de uma unidade.

Uma janela para a captura de carbono

Para ultrapassar o problema, a equipa construiu um dispositivo de laboratório à medida, uma célula de fluxo. O objetivo era reproduzir o que acontece nos sistemas industriais de captura de carbono e, ao mesmo tempo, permitir que a química fosse acompanhada em tempo real.

À primeira vista, a solução parece simples - até se perceber o que era preciso resolver.

A célula tinha de manter o líquido a circular de forma estável, impedir a formação de bolhas que bloqueassem medições com laser, resistir a químicos agressivos e continuar suficientemente transparente para varrimentos óticos de elevada precisão.

O processo exigiu muita tentativa e erro. “Fizemos pelo menos 60 ou 70 iterações desta célula ao longo do projeto”, afirmou Pfeilsticker.

Ideias vindas de lugares inesperados

Em vez de gastar milhares de dólares em peças maquinadas profissionalmente sempre que redesenhavam o dispositivo, os investigadores optaram por impressão 3D com resina.

Impressoras 3D de plástico convencionais não aguentariam a exposição aos reagentes envolvidos.

“Identificámos uma resina que era quimicamente compatível com os reagentes básicos que estávamos a usar, e encontrámos uma impressora 3D de resina barata online, o que nos permitiu fazer trabalho inicial de prova de princípio; depois atualizámos para uma impressora 3D melhor para o projeto, e assim passámos a imprimir iterações por menos de um dólar”, disse Jason.

Essa escolha acelerou o desenvolvimento de forma marcante. A equipa também foi buscar inspiração a sítios improváveis.

Algumas soluções de vedação foram adaptadas de designs de peles de tambor. E ajustaram a geometria dos canais para reduzir bolhas e manter o escoamento do líquido suave.

O que os cientistas observaram, de facto

Para analisar a reação, os investigadores recorreram à espectroscopia Raman confocal. A técnica projeta um laser no líquido e lê a luz espalhada.

Como diferentes substâncias espalham luz de maneiras distintas, torna-se possível identificar onde compostos específicos se estão a formar.

Ao varrer o laser ao longo da célula de fluxo, a equipa gerou mapas químicos em direto que mostravam onde surgiam compostos de carbonato e bicarbonato durante a captura de CO2. Os resultados não eram o que esperavam.

“Vimos que a reação de equilíbrio está, na prática, a ocorrer ao contrário perto da superfície”, explicou Pfeilsticker.

Pistas para melhorar sistemas futuros

No início, o hidróxido de potássio reage rapidamente com o CO2 que entra. Porém, essa reação veloz consome depressa os iões hidróxido junto à superfície.

À medida que mais CO2 entra no sistema, a química altera-se de uma forma que os investigadores ainda não tinham conseguido observar diretamente.

“Como é escoamento laminar, não há mistura turbulenta”, disse Jason.

Esse escoamento suave gera uma camada fina de bicarbonato muito próxima da superfície da membrana. E quanto mais o líquido avança, mais evidente se torna o padrão.

A equipa verificou ainda que as condições de operação tinham grande impacto. Um caudal de líquido mais elevado mudava a forma da zona de reação.

Por outro lado, aumentar a concentração de hidróxido de potássio atenuava parte dos efeitos de depleção junto à superfície. Estes pormenores podem ajudar engenheiros a otimizar sistemas futuros.

Pequenos ganhos de eficiência

Os investigadores desenvolveram também um modelo computacional que reproduziu o que tinham observado em laboratório.

Como o modelo assentava em medições diretas, e não em suposições, tornou-se consideravelmente mais fiável.

Isto pode poupar enormes quantidades de tempo quando se testam novos líquidos de captura ou novos desenhos de reatores.

Em vez de avançar logo para sistemas de grande escala e muito caros, poderá ser possível triar ideias muito mais depressa no laboratório.

Mesmo melhorias pequenas contam. A captura direta do ar continua a ser dispendiosa e intensiva em energia.

Aumentar o desempenho da reação em apenas alguns pontos percentuais pode reduzir custos de forma relevante quando se passa à escala industrial.

Implicações para lá da captura de carbono

O impacto deste trabalho pode ir muito além da captura de carbono. Interfaces químicas semelhantes aparecem em sistemas usados para produção de combustíveis, tecnologia de baterias e separação de minerais.

A maior mudança pode ser, simplesmente, o facto de os cientistas conseguirem finalmente observar o que antes estava escondido.

Durante anos, os investigadores avaliavam estes sistemas sobretudo pelo que entrava e pelo que saía. Agora conseguem ver a química a desenrolar-se à medida que acontece.

Os desafios de engenharia estão longe de estar resolvidos. Transformar a captura direta do ar numa solução climática de grande escala continuará a exigir investimentos enormes, melhores sistemas energéticos e mais investigação.

Mas há algo novo que antes não existia: uma visão direta do coração da própria reação.

O estudo completo foi publicado na revista ACS Energy Letters.