هوانوردی سبز: رویاپردازی‌ دوستداران محیط زیست یا هدفی دست‌یافتنی؟

سفر با هواپیما به هیچ وجه بزرگ‌ترین منبع گازهای گلخانه‌ای انسانی نیست. در حال حاضر، سفرهای هوایی حدود ۲/۵ درصد از آلایندگی‌های گلخانه‌ای را به خود اختصاص داده است. اما پس از افت‌های ناشی از کووید، آمار سفرهای هوایی بار دیگر در حال رشد است و انتشار گازهای گلخانه‌ای ناشی از آن بسیار محسوس و از سویی مقابله با آن دشوار است. باتری‌های الکتریکی مخصوصی که برای هواپیماها توسعه داده شده، در هواپیماهایی با برد کوتاه و ظرفیت کوچک، بسیار امیدوارکننده عمل کرده‌اند. اما برای هواپیماهای بزرگ‌تر، «تکنوفانتزی» استفاده از هیدروژن فشرده (ساخته‌شده از منابع سبز) چه به‌عنوان سوخت جت چه برای راه‌اندازی سلول‌های سوختی که در ادامه بتوانند موتورهای الکتریکی را به حرکت در آورند، احتمالاً برای دهه‌ها به همین شکل و در قوراه‌ی یک فانتزی باقی خواهد ماند.

از همین رو، ایده‌ی سوخت پایدار هوانوردی (SAF) محبوبیت پیدا کرده است. این ماده جادویی در تمام پارامترهای مرتبط با سوخت‌های موجود مطابقت دارد و بنابراین به‌تعبیری می‌توان گفت جایگزینی برای نفت سفیدی است که در حال حاضر توسط هواپیماها سوزانده می‌شود. نکته‌ای هم وجود دارد: ساف به جای تقطیر از نفت خام، به‌طور مستقیم یا غیرمستقیم از دی‌اکسید کربن ساخته می‌شود.

در حالت ایده‌آل، دی‌اکسید کربن از جو می‌آید؛ به‌طوری‌که بعد از برگشت به اتمسفر زمین، هیچ اثر گلخانه‌ای خالصی ایجاد نخواهد شد. بااین‌حال این گاز دست کم از خروجی یک فرایند صنعتی استخراج می‌شود و این امکان را فراهم می‌کند که حداقل قبل از انتشار، جایگزین انتشار سوخت‌های فسیلی در جاهای دیگر شود.

اگر کسی بتواند این کار را با قیمتی رقابتی با مواد پالایشگاهی انجام دهد دنیا را فتح خواهد کرد! خطوط هوایی تاکنون حدود ۴۵۰ هزار پرواز را با استفاده از SAF به‌عنوان بخشی از ترکیب سوختشان انجام داده‌اند. هدف صنعت هوانوردی این است که تا سال ۲۰۵۰ به کربن صفر برسند و تاکنون به نظر می‌آید که ساف تنها راه عملی برای رسیدن به آن نقطه باشد. اما ساخت ساف کاری دشوار است. طی پروسه‌ی فوق بدون نیاز به مواد شیمیایی، یعنی این که معادل خروجی موتور را بردارید و آن را به چیزی شبیه آنچه که در وهله‌ی نخست وارد موتور می‌شد تبدیل کنید. چنین کاری مستلزم «تثبیت» کربن دی‌اکسید کربن در مولکول‌های بزرگ غنی از انرژی است. جای تعجب نیست که نتیجه‌ی نهایی هزینه‌ای تقریباً سه برابر سوخت‌های جت معمولی داشته باشد.

در ساف‌هایی که به این شکل تاکنون وارد بازار شده‌اند، برای تثبیت کربن به فتوسنتز متکی بوده‌ایم. این ماده از روغن‌های آشپزی دورریخته‌شده و چربی‌های حیوانی به دست می‌آید؛ این چربی‌ها درواقع مولکول‌های تری گلیسیریدی هستند که موجودیتشان به تأثیر نور خورشید بر کلروفیل می‌رسد.

برای تولید ساف، تری‌گلیسریدها تحت فعل و انفعالاتی موسوم به هیدرو تریتینگ با آب قرار می‌گیرند. این فعل و انفعالات روشی ثابت برای تولید بیودیزل در حمل‌و‌نقل زمینی است. یک مولکول تری گلیسیرید شامل سه دنباله‌ی هیدروکربنی متصل به یک سر حاوی اکسیژن است. طی هیدروتریتینگ اکسیژن با هیدروژن ترکیب شده و آب تولید می‌شود. این کار دنباله‌ها را آزاد کرده و بخش سر مولکول را به یک مولکول پروپان تبدیل می‌کند. در ادامه می‌توان دنباله‌های آزادشده را به‌صورت قطره‌چکانی پردازش کرد.

شرایط هوانوردی در حال حاضر

در حال حاضر، بزرگ‌ترین تولیدکننده ساف‌های هیدروتریت‌شده یک شرکت فنلاندی به اسم نست است. آن‌ها در حال توسعه یک کارخانه بیودیزل در روتردام برای تولید سالم و همچنین توسعه یک کارخانه هدفمند در پوروو در کشور خودشان هستند. نست قصد دارد تا پایان سال ۲۰۲۳ میلادی، ۱/۹ میلیارد لیتر ساف در سال تولید کند. چنین مقداری حدود ۱۵ برابر کل تولید جهانی در سال ۲۰۲۱ است (البته هنوز کمتر از ۲ درصد از مصرف جهانی سوخت جت خواهد بود). نقطه‌ی عطف این دست اقدامات زمانی بود که در ماه جولای خطوط هوایی امریکن اولین محموله از سوخت ساف را تحویل گرفت. آن‌ها می‌خواستند از سوی CORSIA به‌عنوان یک شرکت هوایی سبز قلمداد شوند. CORSIA یا برنامه‌ی کاهش و جبران کربن برای هوانوردی بین‌المللی معیارهای استاندارد انتشار آلاینده‌ها در هوانوردی را تعیین می‌کند.

بااین‌حال، نست تنها شرکتی نیست که از هیدروتریتینگ برای تهیه ساف از روغن‌ها و چربی‌های آشپزی بازیافتی استفاده کرده باشد. در آمریکا شرکتی به نام ورلد انرژی، یک پالایشگاه نفت سابق را برای انجام کاری مشابه در پارامونت کالیفرنیا به کار بسته است. آن‌ها درواقع اولین کارخانه‌ای بودند که به‌صورت تجاری ساف تولید کرند. این کار در سال ۲۰۱۶ میلادی توسط برایان شرباکو یک کارآفرین حوزه صنایع سبز انجام شد. شرباکو در سال ۲۰۱۸ میلادی این کارخانه را به ورلد انرژی فروخت. آن‌ها در ادامه با شرکت ایر پراکاتس و شرکتی متخصص در گازهای صنعتی و یک شرکت مهندسی موسوم به هانی‌ول در راستای توسعه‌ی عملیات خودشان همکاری کرده‌اند. انتظار می‌رود تا سال ۲۰۲۵ حدود ۱/۳ میلیارد لیتر ساف در سال تولید توسط این گروه و همکاری‌هایشان تولید شود. در همین حال، خود شرباکو در مسیر دیگری حرکت کرده است. وی سعی داشته برای گسترش دامنه مواد زائدی که قابلیت تبدیل شدن به SAF داشته باشند، کارهایی صورت دهد.

یک مانع بزرگ در مسیر گسترش رویکرد تبدیل تری‌گلیسیرید به ساف، بحث تأمین مواد خام است. ارزش افزودن به زباله‌های غذایی چیزی است که طبعاً همگان می‌توانند آن را تحسین کنند. بااین‌حال باید در نظر داشت که اگر هدف ما کمک جدی و معنی‌دار به بازار سوخت جت باشد، احتمالاً با سناریویی برای افزایش خرید روغن‌های غذایی مواجه خواهیم شد. چنین کاری به‌نوبه‌ی خود قیمت‌های روغن‌ها را افزایش می‌دهد و باعث تشویق گسترش کشت نخل‌های روغنی می‌شود. هر دوی اینها مشکلات خود را به همراه خواهند داشت.

پروژه جدید شرباکو موسوم به آلدر فیلز هم اکنون تحت بررسی است. مواد خام مورد نیاز برای پروژه‌ی آلدر نیز زباله است؛ اما نه پسماندهای آشپزی، بلکه پسماندهای جنگلداری و کشاورزی. چنین «زیست‌توده‌هایی» عمدتاً از سلولز، همی‌سلولز و لیگنین تشکیل شده‌اند. اینها سه پلیمر ساختاری که در اصل به‌عنوان اسکلت گیاه عمل می‌کنند.

پلیمرهای ساختاری را نمی‌توان با روش‌هایی شبیه عملیات هیدروتریتینگ به‌کاررفته روی روغن‌های پسماند غذایی پردازش کرد. پروژه‌ی آلدر به‌جای آن از روش تجزیه در اثر حرارت استفاده می‌کند؛ روشی که در آن با اعمال گرما، مواد مربوطه را به مولکول‌های کوچکتر می‌شکنند. ماده‌ی حاصله به یک مایع غنی از هیدروکربن تبدیل می‌شود که شرکت آن را «نفت خام سبز» می‌نامد. نفت خام سبز می‌تواند در پالایشگاه‌های موجود تبدیل به ساف شود. شرکت بوئینگ بزرگ‌ترین سازنده هواپیمای آمریکا، در ماه جولای سال جاری میلادی از آزمایش و امکان‌سنجی برخی از هواپیماهای خود و بررسی عملکرد کلی نفت خام سبز خبر داد. پروژه آلدر برنامه دارد تا تولید تجاری نفت خام سبز خود را در سال ۲۰۲۴ آغاز کند.

نیازی به هدر دادن نیست

یکی از مشکلات استفاده از زیست توده به‌عنوان ماده‌ی خام، حجیم بودن آن و درنتیجه چالش‌های پیرامون گران بودن جمع‌آوری، حمل‌و‌نقل و ذخیره آن است. آلدر برای فایق آمدن بر این چالش‌ها به یک سیستم خاص می‌اندیشد. در این روش، کارخانه‌های فرآوری در نزدیکی منابع زیست توده قرار می‌گیرند و نفت خام سبز حاصل از آن در تانکرهایی به یک پالایشگاه منتقل می‌شود.

براساس محاسبات آلدر اگر ضایعات جنگلی و کشاورزی به این روش پردازش شوند، در آمریکا در حال حاضر منابع ضایعاتی کافی برای تأمین سه‌چهارم تقاضای فعلی آن کشور درزمینه‌ی سوخت‌های صنعت هوانوردی وجود دارد؛ بدون اینکه هیچ نیازی به ایجاد مزارع جدید یا رقابت برای تولید مواد غذایی فراوان و بر فرض هدف گرفتن ضایعات آن‌ها باشد. بااین‌حال، برخی دیگر از اهل فن، استراتژی متفاوتی را پیشنهاد می‌کنند. آن‌ها بر این باورند که حل مشکل دی‌اکسید کربن یا «تثبیت» آن به‌طور مستقیم در یک کارخانه صنعتی بهتر از این خواهد بود که به فرآیندهای زیستی روی آوریم. در ادامه به برخی از این روش‌های پیشنهادی می‌پردازیم.

محبوب‌ترین رویکردها برای تثبیت مستقیم، فرآیندهایی هستند که تحت اسم توان‌به‌مایع از آن‌ها یاد می‌شود. تولیدات این روش به‌عنوان سوخت الکتریکی (مخفف الکتروسوخت، زیرا تولید، حداقل تا حدی، به برق متکی است) شناخته می‌شود. فرآیندهای توان‌به‌مایع با یکدیگر تفاوت‌هایی دارند. اما همه‌شان در ایجاد مخلوطی از هیدروژن و مونوکسید کربن که به‌عنوان گاز سنتز شناخته می‌شود، مشترک هستند.

ارزش گاز سنتز در این است که در دماها و فشارهای مناسب و در حضور کاتالیزورهای مناسب، ترکیبات آن واکنش نشان داده و هیدروکربن و آب تولید می‌کنند. این فرایند فیشر-تروپش نامیده می‌شود. فیشر-تروپش به نام شیمیدانان آلمانی که آن را در دهه ۱۹۲۰ میلادی ابداع کردند نام‌گذاری شده است. از این روش در طول جنگ جهانی دوم توسط آلمان برای تبدیل زغال سنگ به سوخت مایع به‌منظور جبران کمبود دسترسی کشور به نفت استفاده می‌شد.

تصویری از یک رآکتور فیشر-تروپش

آن رویکرد زمان جنگ شامل اکسیداسیون جزئی زغال سنگ برای ایجاد مونوکسید کربن بود. اما باید توجه داشت که این ماده همچنین می‌تواند با فرایند کاهش جزئی CO2 نیز ساخته شود و درست از همینجاست که عده‌ای به استفاده از آن برای تولید ساف علاقه دارند. دی‌اکسید کربن مورد بحث می‌تواند از منابع زیادی تأمین شود. برخی افراد، رویای برداشتن مستقیم آن از اتمسفر را در سر می‌پرورانند. آن‌ها جذب مستقیم را با استفاده از روندی برای جذب مستقیم هوا که نام (DAC) شناخته می‌شود، ممکن می‌دانند؛ کاری که به‌نوعی بر فیلتر کردن هوا استوار است. از سویی گروه‌های دیگر به‌طور عملگرایانه‌تر، استخراج دی‌اکسید کربن به‌عنوان یک محصول جانبی از هضم‌کننده‌های زیستی مولد متان یا کارگاه‌های تخمیر (مانند آبجو و …) را پیشنهاد می‌کنند.

اگر در ادامه از برق تجدیدپذیر با الکترولیز آب برای تولید هیدروژن استفاده شود، در آن صورت سوخت الکتریکی حاصل بسیار سبز خواهد شد. یکی از کشورهایی که توان آبی و بادی فراوانی دراختیار دارد و توانسته از آن‌ها به‌خوبی بهره ببرد، نروژ است. در آنجا کنسرسیومی به نام Norsk e-Fuel در حال ساخت کارخانه DAC برای تولید SAF است. طبق هدفگذاری‌ها، تولید ۱۲/۵ میلیون لیتر در سال باید از سال ۲۰۲۴ آغاز شود.

یکی دیگر از منابع انرژی تجدیدپذیر خورشید است. شرکت سوئیسی ساینلیون (Synhelion) از یک میدان آینه‌ای برای انعکاس نور خورشید به گیرنده‌ای مستقر در بالای یک برج استفاده می‌کند. میدان فوق سیال انتقال را تا دمای بیش از ۱۵۰۰ درجه سانتی‌گراد گرم می‌کند و آن سیال هم به نوبه‌ی خود توان لازم برای فعالیت محفظه واکنش را تأمین می‌کند. محفظه‌ واکنش با انجام فرایند کاهش آب به هیدروژن و همچنین کاهش CO2 به مونوکسید کربن درنهایت گاز سنتز تولید می‌کند. این شرکت برای شروع، از یک کاتالیزور برپایه‌ی نیکل بهره می‌برد و گاز مورد نیاز را هم از یک کارخانه زیست توده تأمین می‌کند، اگرچه در حال توسعه فرآیندهای دیگری است و بعداً dac را به سیستم اضافه خواهد کرد. با عبور مقداری از سیال انتقال ازطریق یک ذخیره حرارتی، برای جمع آوری نسبتی از بار حرارتی آن برای استفاده بعدی، فرایند باید بتواند به صورت شبانه روزی کار کند.

در روز هفده آگوست (حدود دو هفته پیش) ساینلیون اعلام کرد که یک کارخانه آزمایشی گاز سنتز را در «مقیاس صنعتی» راه‌اندازی می‌کند و اکنون هم در حال انجام کارهای نهایی در تأسیساتی در نزدیکی شهر کلن آلمان است. آن‌ها ابراز امیدواری کردند که در سال آینده، بتوانند SAF را به خطوط هوایی گروه لوفت هانزا (شرکت هوایی معروف) این کشور تحویل دهند. اگر همه چیز خوب پیش برود در سال ۲۰۲۵ نیز کارخانه‌ی دیگری در اسپانیا افتتاح خواهد شد تا از سطوح بالاتر آفتاب در آن کشور بهره ببرد. این شرکت با راه‌اندازی نیروگاه‌های بیشتر تا سال ۲۰۳۰ میلادی، قادر خواهد بود تولید خودشان را به حدود ۸۵۰ میلیون لیتر در سال افزایش دهد. چنین مقداری از سوخت برای تأمین حدود نیمی از نیازهای حامل‌های سوئیسی کافی است. هدف این شرکت رسیدن به تولید ۵۰ میلیارد لیتر در سال تا سال ۲۰۴۰ میلادی است. اگر این اتفاق بیفتد به‌منزله‌ی لطمه‌ای جدی در بازار سوخت جت خواهد بود.

حرکت به سوی آینده ای سبزتر

در یک پروژه جداگانه Synhelion با CEMEX شرکتی مکزیکی که یکی از بزرگ‌ترین تولیدکنندگان سیمان در جهان برشمرده می‌شود، متحد شده‌اند. گفتنی است که بخشی از پروسه ساخت سیمان شامل حرارت دادن سنگ آهک برای دفع CO2 است. همین امر باعث می‌شود که صنعت سیمان مسئول حدود ۸ درصد از انتشارات گاز دی‌اکسید کربن باشد. بااین‌حال CO2 مورد بحث در اینجا بسیار خالص است و از همین روی خودش به‌عنوان یک ماده خام ایده‌آل در نظر گرفته می‌شود. این دو شرکت قصد دارند پس از آزمایش موفقیت آمیز این ایده در اسپانیا یک کارخانه‌ی آزمایشی در یکی از استحکامات CEMEX بسازند. اگرچه ساخت سوخت الکترونیکی به این روش به سبزی برداشتن CO2 مربوطه از اتمسفر نخواهد بود، اما دست کم مقداری ارزش زیست محیطی از محصولی استخراج می‌کند که در صورت عدم انجام این کار به‌صورت ضایعات کامل بدون هیچ سودی دفع خواهد شد.

شرکت‌های نفتی نیز مایلند وارد عمل شوند. شرکت اسپانیایی رپسول با آرامکو، غول نفتی عربستان سعودی همکاری‌هایی دارند. آن‌ها با همدیگر برای ساخت کارخانه‌ای در بیلبائو برنامه‌ریزی کرده‌اند؛ کارخانه‌ای که با استفاده از هیدروژن سبز و دی‌اکسید کربن نه‌تنها برای هواپیماها، بلکه برای خودروها، کامیون‌ها و قایق‌ها نیز سوخت خواهد ساخت. همه‌ اینها از یک منبع تغذیه استفاده خواهند کرد. پالایشگاه نفت نزدیک این کارخانه که قرار است در سال ۲۰۲۴ افتتاح شود، از یک فرایند کاتالیزوری توسعه‌یافته توسط جانسون متی، شرکت فعال در حوزه محصولات شیمیایی بریتانیایی برای انجام فیشر-تروپشینگ استفاده خواهند کرد.

سومین رویکرد برای SAF در ادامه مسیر و جدای از استفاده از زباله‌های آلی یا فرایند فیشر-تروپش، استفاده از بیوتکنولوژی است. یکی از ایده‌هایی که برای مدتی در گوشه و کنار دنیا و در ذهن دانشمندان در محافل گوناگون علمی وجود داشته، استفاده از فتوسنتز به‌طور مستقیم با مهندسی جلبک‌های تک سلولی به‌منظور ساخت قطره‌های معمولی بوده است. مورد دیگری که در ماه جولای سال ۲۰۲۲ میلادی پیشنهاد شد، یک روش مهندسی زیستی غیرمتعارف مبتنی بر مولکولی است که توسط باکتری‌ها ساخته می‌شود. آن‌ها این مولکول خاص را برای دفاع از خود دربرابر قارچ‌ها می‌سازند. بااین‌حال این پیشنهاد‌ها تاکنون به آزمایشگاه محدود بوده و در سطح تجاری هنوز کار خاصی روی آن صورت نگرفته است.

به نظر می‌رسد که خواه ناخواه و به طرق مختلف فناوری ساخت سوخت‌های سبز هواپیما در حال ظهور است. سباستین میکوز، رئیس بخش محیط زیست و پایداری یاتا، گروه تجاری عمدتاً فعال در صنعت خطوط هوایی می‌گوید، برای رسیدن به هدف خطوط هوایی تا سال ۲۰۵۰ نیازی به جایگزینی کامل سوخت جت استاندارد نیست. محاسبات این گروه نشان می‌دهد که SAF می‌تواند ۶۵ درصد از سهم کاهش کربن هوانوردی را به خود اختصاص دهد و بقیه‌ی این کاهش هم ازطریق هواپیماهای الکتریکی و هیدروژنی، عملیات‌های هوایی بهینه‌تر، جبران انتشار گازهای گلخانه‌ای و جذب کربن صورت بگیرد. بااین‌حال تا اواسط قرن جاری میلادی همچنان به ۴۵۰ میلیارد لیتر ساف در سال نیاز وجود خواهد داشت.

افزایش تولید ساف به چنین سطحی ممکن است نیاز به اصرار یا تشویق‌ها و سیاستگذاری‌های دولت‌ها داشته باشد. به همین منظور، دولت جو بایدن در آمریکا اعتبار مالیاتی و مشوق‌های دیگری را برای تولید ساف به‌عنوان بخشی از لایحه هزینه‌های جدید این کشور اعلام کرده است. اتحادیه اروپا به جای هویج از چوب استفاده می‌کند. از کشورهای عضو این اتحادیه خواسته شده تا اهداف پیرامون سوخت SAF را در فرودگاه‌ها اعمال کنند. برپایه پیشنهاد یک ارزیابی این میزان از ۲ درصد در سال ۲۰۲۵ به ۸۵ درصد تا سال ۲۰۵۰ افزایش خواهد یافت.اعمال کردن مشوق‌ها به‌شیوه‌ی درست برای توسعه‌ی تولید سوخت‌های سبز و کاهش هزینه‌ها درنهایت بشر را شاید به جایی برساند که دیگر عذاب وجدان یا نگرانی خاصی بابت سوار شدن به هواپیما و سفرهای هوایی آلاینده نداشته باشد.