Cientistas buscam formas de reciclar gás carbônico e criar nova fotossíntese

Pense por um momento no dióxido de carbono como lixo, como um refugo da queima de combustíveis fósseis. Como outros tipos de lixo, quase todo esse CO2 é jogado fora na atmosfera, onde contribui para a mudança climática. Uma pequena quantidade é capturada e armazenada no subsolo para não ficar no ar.

Cada vez mais, no entanto, cientistas se perguntam se em vez de jogar fora ou estocar o dióxido de carbono, seria possível reciclar uma parte dele.

Em laboratórios do mundo inteiro, pesquisadores trabalham em modos de fazer exatamente isso. A Fundação do Prêmio X criou um incentivo, uma premiação no valor de US$ 20 milhões para a equipe que, até 2020, inventar tecnologias para transformar em produtos úteis o dióxido de carbono capturado das chaminés de usinas elétricas movidas a carvão ou gás natural.

Talvez, porém, a verdadeira meta dos pesquisadores dessa área seja transformar o refugo da queima de combustível em novo combustível. Teoricamente, se isso pudesse ser feito em larga escala usando energia renovável ou a luz solar, não haveria ganho líquido de emissões – as mesmas moléculas de dióxido de carbono seriam emitidas, capturadas, transformadas em combustíveis novos e emitidas repetidas vezes.

"O grande prêmio é descobrir como tornar o CO2 uma fonte renovável, reciclável. Seria um avanço tremendo para a sociedade", disse Harry A. Atwater, cientista de materiais do Instituto de Tecnologia da Califórnia e diretor do Centro Conjunto para Fotossíntese Artificial, que tem unidades de pesquisa no Laboratório Nacional Lawrence Berkeley aqui e no próprio Instituto.

O dióxido de carbono é utilizado na fabricação de produtos básicos como fertilizante de ureia e plásticos especiais. Mas os processos não são necessariamente eficientes no uso de energia, e quase todos usam CO2 de reservatórios subterrâneos naturais. Ainda que as empresas começassem a utilizar o dióxido de carbono capturado, a quantidade seria inferior a 0,5 por cento das quase 32 bilhões de toneladas métricas de CO2 emitidas anualmente pela atividade humana.

Reciclar diretamente da atmosfera

O que Atwater e outras pessoas têm em mente são aparelhos que, em escala maior, poderiam reciclar uma porção significativa do dióxido de carbono que é capturado de usinas termoelétricas, de processos como a fabricação de cimento ou mesmo diretamente da atmosfera.

Todavia, desenvolver equipamentos que possam converter com eficácia e viabilidade econômica grandes quantidades de dióxido de carbono exigirá vencer muitos obstáculos, um dos quais é toda a energia necessária para dividir as moléculas.

"O grande desafio de agora é como passar de miligramas a muitas toneladas. Como causar algum efeito no portfólio de energia quando as pessoas estão trabalhando com tubos de proveta hoje em dia?", disse Dick T. Co, professor da Universidade Northwestern e diretor-geral do Instituto de Combustíveis Solar, grupo que incentiva a colaboração entre pesquisadores da área.

Num prédio de pesquisa no laboratório Lawrence Berkeley, com vista para a baía de São Francisco ao longe, Atwater chefia uma equipe de cientistas que está tentando reproduzir o que as plantas fazem por meio da fotossíntese. Eles querem pegar o dióxido de carbono e a água e, usando somente a luz do sol, transformá-lo em combustível.

Fundando em 2010 com verba do Departamento de Energia dos Estados Unidos, o centro dedicou seus cinco primeiro anos a um aspecto da fotossíntese: dividir a água em seus componentes, hidrogênio e oxigênio.

Painel para gerar combustível

Atwater, Frances A. Houle, subdiretora, e Karl Walczak, cientista do projeto, mostraram alguns frutos desse trabalho – um sanduíche do tamanho de um chip de material semicondutor, catalisadores e membranas envolvidos em um recipiente transparente com uma solução de água. Quando o chip era exposto à luz, bolhas de gás – hidrogênio de um lado, oxigênio do outro – se formavam, estouravam e subiam para o topo.

Segundo seus cálculos, o chip é cerca de dez vezes mais eficiente do que uma planta comum, que usa perto de 1% da luz solar que a atinge.

O Centro agora está trabalhando na parte do dióxido de carbono da equação fotossintética. A meta é integrar os dois processos em um aparelho que pode parecer bastante com um painel solar, mas que em vez de gerar eletricidade, produziria combustível – talvez metanol, que poderia ser queimado diretamente ou transformado em gasolina.

O dióxido de carbono é muito mais difícil de dividir do que a água, no entanto, envolvendo seis etapas, cada qual requerendo energia e um catalisador. A natureza parece fazer isso sem dificuldades, mas contou com milhões de anos de evolução para aprimorar o processo.

"O grande desafio do CO2 é produzir um monte de produtos. A natureza desenvolveu mecanismos muito refinados que produzem precisamente um produto", disse Atwater.

Fotossíntese artificial

Boa parte do trabalho do Centro envolve estudar a catálise, por meio da análise teórica e testando possíveis combinações de óxidos metálicos para saber o quão bem eles podem funcionar. O método de teste é parecido com o usado para descoberta de drogas, com um equipamento que pode analisar um grande número de amostras muito pequenas ao mesmo tempo.

A meta é fazer um aparelho que consiga fabricar um produto, como na fotossíntese natural, mas com maior eficácia. Ao mesmo tempo, esse equipamento tem de ser capaz de durar anos, como os painéis solares, o que acrescenta desafios de engenharia e design.

Existem outros grupos de pesquisa, e algumas startups e empresas consagradas, que também estão trabalhando na conversão de CO2. A Sunfire, empresa de Dresden, Alemanha, construiu um protótipo para fazer petróleo cru sintético a partir de dióxido de carbono e água. Parte do óleo cru é diesel e, em 2015, a Audi empregou um pouco desse diesel para acionar um de seus veículos por um curto período.

O processo da Sunfire usa eletricidade, não luz solar, então a eletricidade teria de vir de fontes renováveis para resultar em reduções significativas de carbono. Em função da quantidade de eletricidade exigida, um grande desafio está em produzir combustível que consiga concorrer em preço com os combustíveis fósseis convencionais, afirmou Christian von Olshausen, diretor de tecnologia da Sunfire.

Em Berkeley, dentro de um laboratório localizado nas proximidades do Centro Conjunto para Fotossíntese Artificial, três jovens cientistas fundaram uma firma pequena, a Opus 12, para desenvolver um aparelho de conversão de dióxido de carbono, movido à eletricidade.

A ideia é explorar o fato de que o dióxido de carbono pode ser convertido em muitos produtos diferentes, inventando catalisadores criados especificamente para fabricar determinados produtos.

"Nossa visão é projetar esse reator mais como uma plataforma", declarou Nicholas Flanders, que fundou a Opus 12 com Kendra Kuhl e Etosha Cave.

O trio se conheceu em Stanford, onde faziam estudos superiores. Cerca de um ano atrás, eles receberam financiamento e outros auxílios, incluindo espaço no laboratório Lawrence Berkeley, por meio de um programa de incubadora de tecnologia de energia chamado Cyclotron Road.

Kuhl e Cave estudaram catálise em Stanford, e, embora sua operação seja muito menor do que a do Centro vizinho, eles estão trabalhando no desenvolvimento e no ajuste de catalisadores para converter dióxido de carbono com eficiência. "Nós fazemos o molho secreto", afirmou Kuhl.

Em seu pequeno laboratório, eles borrifam catalisadores para teste em uma membrana pequena, utilizando equipamento de aerografia modificado. A membrana revestida é então colocada num protótipo de reator, do tamanho de um smartphone, mas mais grosso, que é ligado a fontes de dióxido de carbono, água e eletricidade. O que sai do reator – segundo os cientistas, uma informação proprietária por enquanto – é analisado para determinar sua pureza.

De acordo com Flanders, durante o próximo ano e meio, a empresa pretende aumentar o reator para algo do tamanho de uma máquina de lavar louças. Isso seria grande o bastante para começar a gerar receita fabricando pequenas quantidades de produtos para aplicações de nicho de mercado que têm um preço relativamente elevado. Por causa da eletricidade necessária, qualquer aparelho que produzam precisaria usar uma fonte de energia renovável para maximizar o benefício da redução de dióxido de carbono.

Além disso, Flanders prevê aparelhos maiores que converteriam toneladas de dióxido de carbono por dia em combustíveis ou outros produtos. Isso ainda não é muito, dado os bilhões de toneladas de CO2 bombeados diariamente na atmosfera, mas a Opus 12, assegura Flanders, aposta no futuro.

O Centro Conjunto para Fotossíntese Artificial também aposta no futuro, mas Atwater é realista quanto aos desafios de converter diretamente luz solar e dióxido de carbono em combustível.

"Você pode ter certeza de que os problemas de energia e catálise da humanidade não serão resolvidos nos próximos cinco anos."

Contudo, existe interesse crescente no trabalho de Atwater e colegas pesquisadores, principalmente após a assinatura do tratado de Paris que pede reduções abruptas nas emissões para combater o aquecimento global.

"Agora, contamos com um apoio que não tínhamos até recentemente", acrescentou ele.