Как пластмасса может неожиданно помочь бороться с изменением климата

Что общего между вашей машиной, телефоном, бутылкой содовой и обувью? Все они в основном сделаны из нефти. Этот невозобновляемый ресурс превращается в универсальный набор химических веществ, называемых полимерами, или, чаще, пластмассами. Более 5 миллиардов галлонов масла каждый год превращается только в пластик.

Полимеры стоят за многими важными изобретениями последних нескольких десятилетий, такими как 3D-печать. Так называемые «инженерные пластики», используемые в различных областях, от автомобильной промышленности до строительства, мебели, обладают превосходными свойствами и даже могут помочь в решении экологических проблем. Например, благодаря инженерным пластикам транспортные средства теперь легче, поэтому они получают больший пробег топлива. Но по мере увеличения количества видов использования растет и спрос на пластмассы. В мире уже производится более 300 миллионов тонн пластика в год. Число может быть в шесть раз больше, чем к 2050 году.

Нефтяные пластики не так уж и плохи, но это упущенная возможность. К счастью, есть альтернатива. Переход с полимеров на нефтяной основе на полимеры на биологической основе может сократить выбросы углерода на сотни миллионов тонн в год. Полимеры на биологической основе не только возобновляемы и более экологичны в производстве, но и могут фактически оказывать чистое благотворное влияние на изменение климата, выступая в качестве поглотителя углерода. Но не все биополимеры созданы равными.

Разлагаемые биополимеры

Возможно, вы уже сталкивались с «биопластиком», в частности с одноразовой посудой - эти пластики получают из растений, а не из масла. Такие биополимеры получают путем подачи сахара, чаще всего из сахарного тростника, сахарной свеклы или кукурузы, в микроорганизмы, которые продуцируют молекулы-предшественники, которые могут быть очищены и химически связаны друг с другом с образованием полимеров с различными свойствами.

Пластмассы растительного происхождения лучше для окружающей среды по двум причинам. Во-первых, резко сокращается энергия, необходимая для производства пластиков на растительной основе - на целых 80 процентов. Хотя каждая тонна пластика, полученного из нефти, генерирует две-три тонны CO₂, это может быть уменьшено до примерно 0,5 тонн CO tons на тонну биополимера, и процессы только улучшаются.

Во-вторых, пластмассы на растительной основе могут быть биоразлагаемыми, поэтому они не накапливаются на свалках.

Несмотря на то, что одноразовые материалы, такие как пластиковые вилки, отлично подходят для биоразложения, иногда важен более длительный срок службы - вы, вероятно, не захотите, чтобы приборная панель вашего автомобиля постепенно превращалась в кучу грибов. Многие другие приложения требуют такого же типа упругости, как строительные материалы, медицинские приборы и бытовая техника. Биоразлагаемые биополимеры также не подлежат вторичной переработке, а это означает, что для удовлетворения спроса необходимо постоянно выращивать и перерабатывать больше растений.

Биополимеры как хранилище углерода

Пластмассы, независимо от источника, в основном сделаны из углерода - около 80 процентов по весу. Хотя пластмассы, полученные из нефти, не выделяют CO₂ так же, как при сжигании ископаемого топлива, они также не помогают улавливать избыток этого газообразного загрязнителя - углерод из жидкой нефти просто превращается в твердые пластмассы.

Биополимеры, с другой стороны, получены из растений, которые используют фотосинтез для преобразования CO₂, воды и солнечного света в сахара. Когда эти молекулы сахара превращаются в биополимеры, углерод эффективно отделяется от атмосферы, пока они не разлагаются и не сжигаются. Даже если биополимеры окажутся на свалке, они все равно будут выполнять эту роль накопителя углерода.

CO₂ составляет только около 28 процентов углерода по весу, поэтому полимеры составляют огромный резервуар для хранения этого парникового газа. Если бы текущая мировая годовая поставка около 300 миллионов тонн полимеров была бы неразлагаемой и биоразлагаемой, то это равнялось бы гигатонну - миллиарду тонн - секвестрированного CO₂, что составляет около 2,8 процента от текущих глобальных выбросов. В недавнем докладе Межправительственная группа экспертов по изменению климата описала улавливание, хранение и повторное использование углерода в качестве ключевой стратегии по смягчению последствий изменения климата; Биологические полимеры могут внести ключевой вклад: до 20 процентов удаления CO₂ требуется для ограничения глобального потепления до 1,5 градусов по Цельсию.

Рынок неразлагаемого биополимера

Текущие стратегии по улавливанию углерода, в том числе геологическое хранение, закачивающее подземные выбросы CO regene, или регенеративное сельское хозяйство, которое накапливает больше углерода в почве, в значительной степени опираются на политику для достижения желаемых результатов.

Хотя они являются критически важными механизмами смягчения последствий изменения климата, улавливание углерода в форме биополимеров может потенциально использовать другой фактор: деньги.

Конкуренция, основанная только на цене, была сложной задачей для биополимеров, но первые успехи показывают путь к большему проникновению. Одним из интересных аспектов является возможность доступа к новым химическим веществам, которых в настоящее время нет в полимерах, полученных из нефти.

Рассмотрим возможность переработки. Немногие традиционные полимеры действительно пригодны для вторичной переработки. Эти материалы на самом деле чаще всего подвергаются переработке, что означает, что они подходят только для малоценных применений, таких как строительные материалы. Однако благодаря инструментам генетической и энзимной инженерии такие свойства, как полная перерабатываемость, что позволяет многократно использовать материал для одного и того же применения, могут с самого начала превращаться в биополимеры.

В настоящее время биополимеры основаны главным образом на продуктах естественного брожения некоторых видов бактерий, таких как производство молочнокислых кислот Lactobacillus - того же продукта, который обеспечивает кислое пиво. Хотя они представляют собой хороший первый шаг, новые исследования показывают, что истинная универсальность биополимеров должна проявиться в ближайшие годы. Благодаря современной способности конструировать белки и модифицировать ДНК, теперь доступен индивидуальный дизайн предшественников биополимеров. С этим становится возможным мир новых полимеров - материалов, в которых современный CO₂ будет находиться в более полезной и более ценной форме.

Чтобы эта мечта осуществилась, необходимы дополнительные исследования. В то время как ранние примеры здесь сегодня - такие как частично био-основанная Coca-Cola PlantBottle - биоинженерия, необходимая для достижения многих наиболее перспективных новых биополимеров, все еще находится на стадии исследования - как возобновляемая альтернатива углеродному волокну, которое можно использовать во всем, от велосипедов до лопастей ветряных турбин.

Правительственная политика в поддержку улавливания углерода также поможет стимулировать принятие. При наличии такой поддержки существенное использование биополимеров в качестве хранилища углерода возможно уже в ближайшие пять лет - график, который может внести существенный вклад в решение проблемы климатического кризиса.

Эта статья была первоначально опубликована в «Разговоре» Джозефа Роллина и Дженны Э. Гальегос. Прочитайте оригинальную статью здесь.