Priroda je puna međusobno povezanih petlji. Voda putuje u beskrajnom ciklusu, idući od zemlje do neba i nazad. Kada živa bića umiru i raspadaju, Zemljina kora apsorbuje elemente kao što su ugljenik i azot i koriste se za stvaranje novog života. Ovi prirodni sistemi su zatvorene petlje, što znači da su samoodrživi i nemaju početak ni kraj.
Ljudi postoje unutar ovih ciklusa; kao i sva živa bića, i mi utičemo i imamo koristi od njih. Ali načini na koje trenutno upravljamo svojim otpadom su sve samo ne održivi ili kružni. Emisije koje proizvodimo i plastika, uređaji, hrana i drugi otpad koji odbacujemo ne vraćaju se uvek nazad u prirodne cikluse Zemlje.
Umesto toga, veliki deo našeg otpada ili ostaje na deponijama koje se brzo rastu, zagađujući životnu sredinu ili oboje. U međuvremenu, naše emisije se akumuliraju u atmosferi, podstičući porast globalnih temperatura i oštećujući ekosisteme. I uprkos našim dosadašnjim naporima, manje od 10% od približno 7 milijardi tona plastičnog otpada ikada proizvedenog je reciklirano.
Istraživači u Nacionalnoj laboratoriji Argonne Ministarstva energetike SAD (DOE) rade na regenerativnijoj budućnosti – onoj u kojoj se Zemljini resursi cirkulišu održivo. U ovom tipu ekonomskog sistema, koji se naziva cirkularna ekonomija, kraj životnog veka proizvoda se planira u fazi projektovanja. Na ovaj način, potencijalni otpad postaje vredan resurs za stvaranje novih ili obnovljenih proizvoda.
Naučnici iz Argona razvijaju metode za obnavljanje i ponovnu upotrebu plemenitih metala i drugih vrednih materijala iz baterija i uređaja na kraju njihovog životnog veka. Takođe razvijaju tehnologije za pretvaranje otpada u vrednu robu. I sarađujući sa industrijskim partnerima, drugim istraživačkim institucijama i lokalnim zajednicama, oni pomažu da se premosti jaz između laboratorijskih otkrića i velikog društvenog uticaja.
Kružna ekonomija zatvara proizvodne petlje u industriji, pretvarajući otpad u sirovinu za stvaranje novih proizvoda. To znači posmatranje deponija manje poput trulih, planinskih rana na očima, a više kao ogromnih riznica blaga koje čekaju da budu iskopane za svoje zalihe vrednog materijala.
„Plastika sadrži mnogo energije. To je kao prethodno prečišćena sirova nafta, i već je izašla iz zemlje“, rekao je Maks Delfero, hemičar i vođa grupe Argonne i vođa Circular Economi u Argonneu. „U budućnosti, kako se tehnologije poboljšavaju, mogao bi postojati finansijski podsticaj za kopanje plastike na deponijama.
Delfero i njegov tim u Argonneu su pioniri u novim i poboljšanim metodama za reciklažu plastičnog otpada. Na primer, oni koriste hemijske alate zvane katalizatori za pretvaranje plastičnih kesa i filmova u proizvode veće vrednosti, kao što su maziva i voskovi. Oni takođe ponovo zamišljaju kako su plastični proizvodi dizajnirani za početak.
Na primer, kao deo DOE-ovog Instituta za kooperativno preradu plastike (iCOUP), Delferro i drugi naučnici sa Univerziteta Argon i Kornel razvili su novu metodu za reciklažu polietilena visoke gustine (HDPE) ili plastike tipa 2. Njihova tehnika transformiše HDPE proizvode nakon potrošnje u novi tip plastičnog materijala koji se može više puta reciklirati bez gubitka kvaliteta.
Drugi tim u Argonneu poboljšava tehnike recikliranja baterija i mikroelektronskih uređaja.
„Ono što mi se sviđa kod reciklaže je da počnete sa onim što izgleda kao đubre – prljavo je, pokvareno – a onda imate sjajni metal i druge proizvode koji izlaze iz opreme na kraju,” rekao je Džefri Spangenberger, vođa Argonne’s Materials Grupa za istraživanje i razvoj reciklaže i direktor ReCell centra. „U početku je skriveno, ali tamo ima mnogo vrednih stvari.
Smešten u Argonu, ReCell centar je nacionalna saradnja industrije, akademske zajednice i nacionalnih laboratorija koja unapređuje tehnologije recikliranja baterija. Recikliranje baterija i drugih uređaja smanjuje potražnju za rudarenjem retkih minerala koji se koriste u baterijama kao što su litijum, kobalt i nikl. Vraćanje ovih kritičnih materijala u proizvodni krug takođe smanjuje cenu baterija za električna vozila, što bi moglo da igra važnu ulogu u smanjenju naše emisije ugljen-dioksida (CO 2 ).
Čak i smrdljiviji tokovi otpada u društvu mogu se koristiti kao vredna sirovina. Naučnik iz Argona Meltem Urgun Demirtas istražuje načine da povrati resurse iz otpada od hrane i mulja koji nastaje iz gradova, postrojenja za prečišćavanje otpadnih voda i industrijskih procesa. U laboratoriji, ona i njen tim su eksperimentisali sa otpadom iz lokalnih restorana, farmi svinja, pivara, proizvođača sira, pa čak i iz sopstvenih domova.
„Moja motivacija je da očistim svet“, rekao je Urgun Demirtas, koji vodi odeljenje za održive materijale i procese u Argonneu. „Zanima me sve što niko ne želi u svom dvorištu ili u svom gradu.
Urgun Demirtas i njene kolege napajaju ove tokove otpada kolonijama veoma raznovrsnih i otpornih mikroorganizama. Kroz varenje, zajednice mikroorganizama mogu tretirati tokove organskog otpada, kao što su otpadne vode i mulj, i pretvoriti ih u goriva, uključujući obnovljivi metan i održivo gorivo za mlazne avione.
A da bi se zatvorilo što je moguće više petlji, ostaci hranljivih materija iz ovih procesa mogu se koristiti kao đubrivo ili regenerator zemljišta. Obnavljanje hranljivih materija iz otpada ima dodatnu korist od sprečavanja štetnog cvetanja algi koje one mogu izazvati ako se ne kontrolišu u okruženju.
Junhong Čen, vodeći strateg za vodu u Argonneu i profesor na Pritzker školi za molekularno inženjerstvo Univerziteta u Čikagu, takođe radi na ubrzanju stvaranja tehnologija za tretman vode i oporavak resursa.
„Voda nije samo vitalna za održavanje naših života; takođe je potrebna za proizvodnju proizvoda u gotovo svakoj industriji“, rekao je Čen, koji je glavni istraživač za Great Lakes ReNEV, regionalni motor za inovacije koji je nagradila Nacionalna naučna fondacija SAD. (NSF). „Sve dok voda dodiruje društvo, postojaće kritična potreba i prilika za kružnu plavu ekonomiju.
Koordiniran od strane centra za inovacije u vodi sa sedištem u Čikagu, Current, u partnerstvu sa Argonom i Univerzitetom u Čikagu, Great Lakes ReNEV će razviti i primeniti poboljšane tehnologije za obnavljanje kritičnih minerala i hranljivih materija iz otpadnih voda i njihovo prečišćavanje od zagađivača.
Na primer, tim razvija mrežu međusobno povezanih senzora širom regiona Velikih jezera za praćenje nivoa različitih materijala prisutnih u otpadnim vodama u realnom vremenu. Ove informacije mogu pomoći postrojenjima za prečišćavanje otpadnih voda da optimizuju svoje objekte za preradu nadolazećeg otpada, koji se može menjati iz dana u dan.
Glavni izazov u razvoju bilo koje metode recikliranja ili oporavka resursa je odvajanje vrednih materijala i komponenti od ostatka otpada. Još je veći izazov razdvojiti ih na način koji je isplativ i ekološki održiv.
„Proveli smo sto godina razvijajući našu plastiku tako da ima veoma specifična svojstva, a tek u poslednjih nekoliko godina smo zaista počeli da razmišljamo o tome kako da je razdvojimo odgovorno“, rekao je Delfero. „Uzbudljivo je vreme biti naučnik jer smo na početku nove nauke: nauke o dekonstrukciji.
Na primer, plastični otpad uglavnom nije čista plastika. Često sadrži zagađivače i aditive (kao što su boje i usporivači plamena) koje je potrebno odvojiti nizom katalizatora. Ovo je složena nauka. Do sada, najbolji katalizatori koje su istraživači otkrili za reciklažu plastike sastoje se od retkih i skupih metala.
Delfero i njegove kolege rade na tome da naprave efikasne katalizatore od materijala bogatih zemljom koji se mogu kopati u SAD. Njegov tim takođe sarađuje sa drugom grupom u Argonneu kako bi procenio potencijalne uticaje plastike na životnu sredinu koju razvijaju.
„Moramo da se uverimo da čak i kada se biorazgradiva plastika pokvari, neće biti toksična po životnu sredinu“, rekao je Delfero. „Postoji mnogo toga da se uzme u obzir, i sve to ulazi u cirkularnu ekonomiju.“
Isto važi i za reciklažu baterija i mikroelektronike. „Mnogo ovog otpada se sažvaće ili sjedini. Da bi reciklaža bila profitabilna, morate pronaći tehnologije za odvajanje stakla, plastike, metala, tečnosti i drugih materijala koristeći tehnologije koje su jeftine i lake za rukovanje“, Spangenberger rekao je.
Postrojenja za reciklažu u stvarnom svetu koriste seriju mašina kao što su seckalice, jaki magneti i peći za odvajanje različitih materijala. Čak i kada uključuju delikatniji dodir veštački inteligentnih robota za sortiranje, mnogi od postojećih procesa za obnavljanje materijala koji se mogu reciklirati iz elektronskih uređaja su neefikasni, energetski intenzivni ili skupi.
Spangenberger i njegove kolege pomažu industrijskim partnerima da otkriju najprofitabilnije i najodrživije načine pristupa njihovim procesima recikliranja.
Na primer, on i njegov tim sarađuju sa Toiota Motor Engineering & Manufacturing, Severna Amerika, kako bi istražili upotrebu inovativne metode koju je razvio ReCell centar za reciklažu EV baterija. Novi pristup – koji se zove direktno recikliranje – odvaja čitave komponente baterija, ostavljajući ih netaknutim da bi se ponovo koristile u drugoj bateriji.
Ovo smanjuje potrebu za skupim proizvodnim procesima koji se koriste za kreiranje komponenti od nule. Zauzvrat, novi pristup bi mogao pomoći u smanjenju zavisnosti nacije od drugih zemalja u pogledu materijala za baterije.
Tim takođe gradi pilot postrojenje za reciklažu u Argonu. Fabrika će omogućiti timu da testira nove tehnologije reciklaže integrisane sa postojećim i da poveća procese koji će biti testirani u stvarnim industrijskim uslovima sa stvarnim sirovinama.
Odvajanje je takođe veliki izazov u tretmanu i preradi organskog otpada—kao što su otpadne vode, mulj i otpad od hrane. To je zato što su tokovi otpada tako raznoliki i složeni. U stvari, odvajanje čini do 70% ukupnih troškova pretvaranja organskog otpada u goriva i druge proizvode. Argonne razvija napredne tehnologije za smanjenje emisija i troškova povezanih sa odvajanjem organskog otpada.
Jedan od razloga zašto su naučnici poput Urguna Demirtasa toliko zainteresovani za mulj i drugi organski otpad je taj što je bogat elementom ugljenika. Ugljenik je glavna komponenta mnogih goriva jer oslobađa velike količine energije kada se sagori.
Ovo je isti element koji postoji u molekulima CO 2 koji se akumuliraju u atmosferi i izazivaju globalno zagrevanje. Kada sagorevamo fosilna goriva i ispuštamo naše emisije CO 2, mi istovremeno štetimo Zemljinim sistemima i predajemo velike količine vrednog resursa.
Hemičar iz Argona Di-Jia Liu radi na povezivanju izvora našeg inače emitovanog ugljenika sa industrijama koje ga mogu koristiti kao sirovinu za neka od najproizvodnijih goriva i hemikalija u SAD, uključujući etanol, sirćetnu kiselinu, etilen i propanol , koji se koriste u benzinu i kao poluproizvodi za hemijsku, farmaceutsku i kozmetičku industriju.
Liu i njegov tim zamišljaju budućnost u kojoj sav CO 2 koji proizvodimo ostaje u zatvorenoj petlji naše kružne ekonomije, postepeno se smanjuje iz atmosfere i beskonačno ponovo koristi. Međutim, skupo je i energetski intenzivno pretvaranje CO 2 u goriva i hemikalije koristeći postojeće tehnologije.
Da bi proces bio pristupačniji, Liuov tim stvara efikasnije katalizatore i razvija uređaj za konverziju CO 2 koji se zove elektrolizer. Uređaj radi na niskim temperaturama i pritiscima u poređenju sa postojećim tehnologijama i može se brzo uključiti i isključiti bez velikog gubitka energije.
Ove karakteristike ga čine idealnim za spajanje sa obnovljivim izvorima energije kao što su vetar i solarna energija, čija dostupnost može biti povremeno.
„Da bi ovo bilo profitabilno u bliskoj budućnosti, ideja je da se koristi obnovljiva energija za pretvaranje lokalno proizvedenog CO 2 u hemikalije i proizvode sa dodatom vrednošću za lokalnu potrošnju“, rekao je Liu. „Ovo eliminiše troškove povezane sa transportom i distribucijom.“
Obnovljiva energija je u srcu vizije naučnika za kružnu ekonomiju, ali njeno široko usvajanje zavisi od razvoja pristupačnih i efikasnih baterija koje će pomoći da se izgladi povremeno snabdevanje energijom.
Ovde vidimo međusobno povezane proizvodne petlje koje čine kružnu ekonomiju. Poboljšanja u tehnologijama recikliranja baterija čine baterije jeftinijim.
Jeftinije baterije predstavljaju efikasniju infrastrukturu za skladištenje i korišćenje obnovljive energije. Zauzvrat, jeftinija električna energija smanjuje troškove recikliranja CO 2 i drugog otpada u materijale veće vrednosti. Poboljšana reciklaža pomaže u recirkulaciji obnovljenih minerala, što još više smanjuje cenu baterija. I vrlinski ciklus se nastavlja.
Ove međuzavisnosti takođe mogu da izazovu razvoj održivih tehnologija i infrastrukture. „Dok savladamo recikliranje jedne vrste baterija, biće otkrivena jeftinija, održivija baterija koja zahteva drugačiju tehniku reciklaže“, nasmeja se Spangenberger. „Ovaj napredak je, naravno, dobar. On pokazuje da smo sve bliže našem krajnjem cilju.
Partnerstvo i komunikacija između industrija i naučnih disciplina su ključni za efikasan razvoj i implementaciju ovih tehnologija. Saradnje kao što su Great Lakes ReNEV i ReCell Center pomažu u potvrđivanju novih pristupa na različitim nivoima, ubrzavajući njihov prelazak na tržište.
Oni se takođe povezuju sa akademskim institucijama i lokalnim zajednicama kako bi podstakli inkluzivni inovativni ekosistem i obrazovali sledeću generaciju naučnika, inženjera i kreatora politike.
Sa punom svešću o izazovima koji su pred nama, istraživači iz Argone ostaju energični i optimistični.
„Bilo je potrebno oko 50 godina da se proizvedu velike količine benzina — i oko 20 godina da se proizvedu velike količine kukuruznog etanola — koje zadovoljavaju naše današnje potrebe za gorivom“, rekao je Urgun Demirtas.
„Sa posvećenom naukom, obrazovanjem i partnerstvom, samo je pitanje vremena kada ćemo ostvariti našu viziju održivije energetske budućnosti.“
