مقدمه

در حالی که برنامه‌ریزی‌های زیادی برای حرکت به سمت انرژی‌های سبز و کاهش گازهای گلخانه‌ای انجام گرفته، اما همچنان برآوردها حکایت از آن دارد که تولید بخش اعظم گازهای گلخانه‌ای (GHG) تا سال 2050 همچنان ادامه خواهد داشت. تخمین‌های موجود از میزان تولید گازهای گلخانه‌ای، حدود 10 الی 15 میلیارد تن در سال بوده و اگر قرار بر این باشد که جهان تا سال 2050 میلادی به میزان تولید صفر خالص برسد، باید برای حذف تولید این گازها‌، برنامه‌ریزی لازم صورت گیرد. یکی از روش‌های مطرح برای حذف این آلایندگی که از سال‌ها پیش توسط شرکت‌های نفتی دنبال ‌شده و مطالعات زیادی بر روی آن انجام گرفته، جداسازی و ذخیره‌سازی کربن در مخازن زیرزمینی (CCUS) است که البته محدودیت‌های جدی برای آن وجود دارد.

اما یک گزینه دیگر نیز بر روی میز وجود دارد. اسکای‌نانو (SkyNano) که کار خود را از سال 2017 میلادی شروع نموده، در عوض استفاده از فرایند ترمومکانیکال که در روش‌های معمول برای تولید نانوتیوب‌ استفاده می‌شود، یک فرآیند الکتروشیمیایی برای تبدیل دی‌اکسیدکربن به نانولوله‌های کربنی بکار گرفته است. در این روش، بر خلاف سایر روش‌های موجود که محصولات جانبی مانند مونوکسیدکربن، هیدروکربن‌های آروماتیک چند حلقه‌ای (PAHs) و ترکیبات آلی فرار دارند، تنها محصول جانبی اکسیژن است.

نانولوله‌های کربنی، لوله‌های توخالی کربنی با اندازه‌های نانومتری هستند که دارای کاربردهای متعددی می‌باشند. از این مواد می‌توان به دلیل سختی زیاد در زره وسایل نقلیه استفاده نمود. همچنین آن‌ها به دلیل هدایت الکتریکی خوب قابلیت استفاده در کابل‌های انتقال را هم دارا می‌باشند. علاوه بر این، انعطاف‌پذیری مطلوب نانولوله‌های کربنی استفاده از آن‌ها در پارچه‌‌های بافته شده را هم ممکن می‌سازد.

از آنجایی که فرآیند ارائه شده توسط اسکای‌نانو می‌تواند برای تبدیل جریان‌های دی‌اکسیدکربن تولیدشده در کارخانه‌های سیمان و فولاد نیز قابل استفاده باشد، در نتیجه نوید بزرگی برای حذف انتشار گازهای گلخانه‌ای می‌دهد. در این نوشتار، در صدد آن هستیم تا با این استارت‌آپ نانویی که کار خود را از آزمایشگاهی در دانشگاه آغاز نموده بیشتر آشنا شده و آینده پیش روی آن را به تصویر بکشیم.

داستان شکل‌گیری یک استارت‌آپ زایشی

آنا داگلاس (Anna Douglas)، در سال 2017 میلادی و در حالی که دوران تحصیل خود را در مقطع دکتری دانشگاه وندربیت (Vanderbilt University) می‌گذراند، به همراه پروفسور کری پینت (Cary Pint) اقدام به تأسیس اسکای‌نانو نمودند. آنا در حال حاضر در سمت مدیرعاملی اسکای‌نانو و کری نیز در جایگاه مدیر ارشد فناوری این شرکت مشغول به فعالیت می‌باشد.

آنا در سال 2014 میلادی در رشته ریاضیات و شیمی از دانشگاه لی (Lee University) فارغ‌التحصیل شد و در سال 2019 میلادی هم دکترای خود را در رشته علوم مواد بین رشته‌ای (Interdisciplinary Materials Science) به پایان رساند. کارهای او در ارتباط با فناوری اسکای‌نانو در بسیاری از نشریات علمی معتبر به چاپ رسیده و جوایز بسیاری از جمله جایزه فوربس برای 30 جوان زیر 30 سال (Forbes 30 under 30) در سال 2019، جایزه «R&D100» در سال 2020، جایزه نوآوری «TechConnect» در سال 2021 و «Governor's Environmental State Steward» را  در سال 2022 میلادی از آن خود نموده است.

بهترین توصیف از انگیزه آنا برای راه‌اندازی استارت‌آپ و شکل‌گیری ایده آن، توسط خودش ارائه شده است: «زمانی که دانشجوی کارشناسی بودم، یک دوره کارآموزی تابستانی را در مرکز تحقیقات ناسا گلن (NASA Glenn Research Center) گذراندم. از همان جا بود که کاملاً عاشق فناوری نانو و علم مواد شدم. پس از آن به وندربیت رفتم تا دکترای علوم مواد را دنبال کنم و شروع به کار روی نانومواد برای ذخیره انرژی به عنوان یک موضوع تحقیقاتی کردم. به شدت احساس می‌کردم که ذخیره‌سازی انرژی، مهم‌ترین گلوگاه برای زیرساخت انرژی پایدار است. زمانی که مشغول مطالعه در خصوص باتری‌ها بودم، متوجه شدم که روش سنتز و استخراج بسیاری از مواد سازنده باتری‌ها واقعاً پایدار نیست و این می‌تواند استفاده از باتری‌ها را به عنوان یک فناوری پاک تضعیف کند. من و استادم شروع به جستجوی راه‌های دیگری برای ساخت ساختارهای کربنی کردیم که کاربردهای بی‌شماری در شیمی باتری دارند. در این مسیر، با یک فرآیند الکتروشیمیایی روبرو شدیم که از اوایل دهه 1900 برای تبدیل دی‌اکسیدکربن به کربن جامد مورد مطالعه قرار گرفته بود و البته در این فناوری قابلیت انتخاب برای نوع ساختار کربنی تولیدی وجود نداشت. ما به این فکر کردیم که در صورت دنبال نمودن سنتز نانومواد، بتوانیم گزینش‌پذیری فناوری را افزایش داده و آن را برای ورود به بازار بهبود دهیم. در همین نقطه بود که سریعاً اولین حمایت‌ها را از برنامه چهارراه نوآوری وزارت انرژی (Department of Energy’s Innovation Crossroads program) دریافت کردیم.»

یک فناوری توسعه یافته در دانشگاه وندربیت، استارت‌آپی زایشی را شکل داد که تمرکز اصلی خود را بر تجاری‌سازی فناوری حذف آلودگی‌های کربنی قرار داده است. آن‌ها فعالیت خود را از مرکز رشد وزارت انرژی آمریکا و با بودجه تأمین شده توسط برنامه چهارراه نوآوری این نهاد شروع کردند. این شرکت دانش‌بنیان، فناوری جدید و نوآورانه الکتروشیمیایی برای جذب و تبدیل CO2 از منابع مختلف از جمله اتمسفر، گازهای خروجی دودکش‌های صنعتی، گازهای غنی‌شده و ... ارائه نموده که خروجی آن هم محصولاتی ارزشمند کربنی مانند نانوتیوب‌های کربنی است.

تولید موادی ارزشمند از یک ماده تهدیدکننده محیط‌زیست

فناوری زیربنایی اسکای‌نانو، بر اساس یک فرآیند شیمیایی است که از اوایل دهه 1900 در آزمایشگاه‌های دانشگاهی در سراسر جهان مورد مطالعه قرار گرفته است. اساس این فناوری، مبتنی بر جذب شیمیایی دی‌اکسیدکربن از طریق مولکول‌های اکسیدی برای تشکیل کربنات و سپس تجزیه الکتروشیمیایی آن مولکول کربنات به اکسید اصلی است. خلاصه شده و نتیجه کلی این واکنش عبارت است از تبدیل دی‌اکسیدکربن به کربن جامد و اکسیژن گازی!

دی‌اکسیدکربن بسیار پایدار بوده و به همین دلیل در اتمسفر ما مشکل‌ساز می‌شود. زمانی که این گاز پایدار را به شکل کربن جامد تبدیل کنیم که آن هم پایداری بالایی دارد، امکان ذخیره‌سازی دائمی کربن به راحتی امکان‌پذیر می‌گردد. روش ارائه شده توسط اسکای‌نانو، هم امکان ذخیره‌سازی طولانی‌مدت کربن را در یک فرم غیرمضر فراهم نموده و هم امکان تبدیل آن به یک محصول جدید و مفید و باارزش را فراهم می‌کند.

بیرون کشیدن دی‌اکسیدکربن از اتمسفر خیلی فرایند کارآمدی نیست. این در حالی است که فناوری اسکای‌نانو می‌تواند به عنوان یک فرآیند جذب مستقیم از هوا عمل کند. البته زمانی که دی‌اکسیدکربن جریان‌های ورودی بالا رود، فرایند بسیار کارآمدتر خواهد بود و این چیزی است که در گازهای تولیدی صنایع مختلفی از جمله سیمان، فولاد، مواد شیمیایی و انرژی به راحتی یافت می‌شود. در همین راستا، اسکای‌نانو در حال حاضر با «Tennessee Valley Authority» که از بزرگترین مجموعه‌های عمومی فعال در حوزه انرژی است همکاری تنگاتنگی داشته تا نشان دهد که گاز خروجی از دودکش‌های نیروگاه سیکل ترکیبی، می‌تواند به عنوان یک منبع خوب برای تولید محصولات کربنی استفاده شود.

طیفی از سهامداران و مجموعه‌های اثرگذار در سراسر زنجیره انتشار کربن وجود دارد. در یک طرف، چند فناوری در خصوص جذب مستقیم هوا برای تولید جریان غنی از دی‌اکسیدکربن وجود داشته و در طرف دیگر، فناوری‌هایی هستند که قادر به فرآوری جریان‌های غنی از دی‌اکسیدکربن (بیش از 90%) می‌باشند. با این همه، فناوری‌های بسیار کمتری وجود دارند که می‌توانند بدون تغلیط با جریان‌های با غلظت با 1 تا 80 درصد دی‌اکسید‌کربن کار کنند و این در حالی است که اکثریت قریب به اتفاق فرایندهای تولید و منتشرکننده دی‌اکسید‌کربن امروزی، در همین غلظت‌های پایین قرار دارند. فناوری اسکای‌نانو در این خصوص واقعاً خوب عمل نموده و می‌تواند برای استفاده از منابعی که جریان‌های ضعیفی از دی‌اکسیدکربن تولید می‌کنند، وارد عمل شود.

در واقع، اگر بخواهیم مزایای قابل توجه فناوری اسکای‌نانو را در مقایسه با سایر فناوری‌های معرفی شده توسط رقبای این شرکت بیان کنیم، می‌توان به موارد زیر اشاره نمود:

• در حالی که بسیاری از فناوری‌های موجود تنها بر یکی از فرایندهای جذب، تغییر حالت و ذخیره‌سازی دی‌اکسیدکربن متمرکز می‌شوند، فناوری اسکای‌نانو مجموع همه این موارد را در بر می‌گیرد؛
• امکان استفاده از منابع مختلف گازی و انجام فرایند از جریان‌های با غلظت پایین دی‌اکسیدکربن؛
• امکان ذخیره‌سازی کربن به شکلی که منجر به انتشار مجدد دی‌اکسیدکربن نمی‌شود؛
• تولید محصولاتی با ارزش افزوده قابل توجه که بدون نیاز به معافیت‌های مالیاتی و حمایت‌های نهادهای دولتی هم می‌تواند به یک فرایند اقتصادی تبدیل شود؛
• ارائه محصولی با قیمت رقابتی در بازار؛
• کیفیت بالای نانوتیوب‌های چندجداره تولیدی نسبت به نمونه‌های موجود در بازار؛
• امکان تولید محصولات کربنی متنوع دیگر بنابه درخواست مشتریان.

تأمین بودجه اسکای‌نانو

با توجه به اثرگذاری قابل توجه فناوری اسکای‌نانو در اهداف زیست‌محیطی که عمدتاً توسط سازمان‌های دولتی دنبال می‌شوند، این شرکت به خوبی موفق به جلب نظر اینگونه نهادها در آمریکا شده است. اسکای‌نانو در سال 2019 میلادی موفق به دریافت یک حمایت مالی 225 هزار دلاری از بنیاد ملی علوم (National Science Foundation) گردید و از همان موقع نظر مثبت این سازمان را برای حمایت‌های بعدی هم جلب نمود.

این شرکت تا آگوست سال جاری میلادی، در حدود 8.5 میلیون دلار بودجه غیررقیق‌کننده از منابع مختلف فدرال، ایالتی و تجاری جمع‌آوری کرده که گواهی بر جذابیت قابل توجه فناوری این شرکت برای نهادها و شرکت‌های مختلف ‌می‌باشد. وزارت انرژی ایالات متحده، بنیاد ملی علوم و وزارت دفاع ایالات متحده، از حامیان اصلی این استارت‌آپ به شمار می‌روند.

از یک طرف، فناوری اسکای‌نانو در زمره اهداف استراتژیک تقریباً هر آژانس دولتی فعال در زمینه کربن‌زدایی قرار داشته و از طرف دیگر محصولات جذاب این شرکت، موادی حیاتی هستند که برای مجموعه‌های فعال در حوزه‌های مختلف اهمیت زیادی دارند. این شرکت در خصوص محصولات خود می‌گوید: «ما از زمان آغاز به کار، بر روی مشتریان موادی که از دی‌اکسیدکربن تولید می‌کنیم، تمرکز زیادی داشته‌ایم. مواد افزودنی کربن جامد در طیف وسیعی از ساختارها وجود دارند و ما می‌توانیم بسیاری از نیازهای بازارهای امروزی را همراه با ایجاد بازارهای جدید از طریق مواد کربنی پیشرفته با قیمت پایین‌تر برطرف کنیم. اهداف تأمین مالی ما همچنان بر تأمین نیازهای مشتریان متمرکز بوده و به همین دلیل نگاه اصلی ما به تأمین مالی پروژه‌محور است.»

مسائل اقتصادی چالش‌برانگیزی در خصوص «CCUS»وجود دارد، اما هنوز هم شرکت‌های بزرگ ترجیح می‌دهند تا برای کربن‌زدایی سریع از این روش‌ها استفاده نمایند. فرآیند اسکای‌نانو بر اساس ارزش محصول خروجی در کنار مشوق‌های مالیاتی، از نظر اقتصادی امکان‌پذیر است. هزینه‌ عمده تحمیلی بر فرایند اسکای‌نانو، هزینه‌های ناشی از انرژی الکتریکی است که برای انجام فرایند الزامی می‌باشد. از همین منظر، جذابیت فناوری این استارت‌آپ برای نهادهای دولتی و شرکت‌‌های بزرگ می‌تواند بسیار بیشتر از سایر رقبای این استارت‌آپ باشد.

گفتنی است که بر اساس اطلاعات ارائه شده توسط اسکای‌نانو، محصولات تولیدی این شرکت قابلیت استفاده در صنایع مختلف از جمله باتری‌ها، تایر، پوشش‌ها، منسوجات، پلاستیک‌ها، کامپوزیت‌ها و بسیاری از موارد دیگر را دارا می‌باشند. با این وجود، در حال حاضر بیش از 60 درصد مشتریان این شرکت برای بهبود باتری‌ها از محصولات اسکای‌نانو استفاده می‌کنند. از این محصولات برای بهبود هدایت در هر دو الکترود باتری استفاده نموده که این منجر به شارژ سریع‌تر و دانسیته انرژی بالاتر می‌گردد.