Soluções de nanotecnologia para a crise climática

Alcançar emissões líquidas zero até 2050, bem como reduções substanciais de emissões a curto prazo até 2030, são necessários para evitar os piores impactos das alterações climáticas a nível mundial. Há uma oportunidade única para a nanotecnologia contribuir para este objetivo (Fig. 2), concentrando-se em setores com elevadas emissões, como os edifícios, a eletricidade, a indústria e os transportes. São necessárias ações urgentes para ampliar e implementar rapidamente novas soluções climáticas, extraindo insights de aplicações bem-sucedidas de nanotecnologia.

Os sectores de elevadas emissões, a indústria, a electricidade, os transportes e a construção são áreas de grandes oportunidades para as inovações possibilitadas pela nanotecnologia causarem um impacto de mudança radical no cumprimento dos objectivos climáticos globais. Para obter mais informações sobre as emissões globais para 2022 e as metas para 2030, consulte a ref. ²⁵.

Globalmente, os edifícios são responsáveis ​​por quase 9,8 gigatoneladas de CO₂ liberados no meio ambiente a cada ano. De acordo com a AIE, as emissões globais relacionadas com os edifícios, provenientes principalmente do aquecimento e da refrigeração, devem diminuir para 4,4 gigatoneladas de CO₂ ano^–1 para atingir o zero líquido globalmente². Nanorrevestimentos crômicos (por exemplo, termocrômicos, eletrocrômicos e fotocrômicos) podem alterar as propriedades ópticas de uma janela com base em estímulos externos e, assim, diminuir o impacto térmico photo voltaic e, portanto, a necessidade de resfriamento. As janelas eletrocrômicas por si só têm o potencial de economizar até 40% da demanda de energia para aquecimento e/ou resfriamento de edifícios²³.

A descarbonização do sector eléctrico dependerá fortemente dos avanços nas baterias e no armazenamento de energia para ligar a energia renovável intermitente à rede. Segundo a AIE, o setor elétrico precisará reduzir 7 gigatoneladas de CO₂ ano^–1 globalmente até 2030². As nanotecnologias já estão a ajudar a alcançar maiores densidades de energia e potência nas tradicionais baterias de iões de lítio e novas abordagens estão a ser adicionadas ao mercado. Baterias de ferro-ar habilitadas para nanotecnologia para armazenamento em rede estão atualmente em desenvolvimento comercial, com alegações de que podem atingir 100 horas de armazenamento, a um décimo do custo das baterias tradicionais de íons de lítio (https://formenergy.com/know-how/battery-technology/). Nanoarquiteturas aprimoradas também poderiam permitir outras substâncias químicas de baterias emergentes com características otimizadas para combinar com baterias de íons de lítio a um custo menor²⁴; mas o acesso a técnicas avançadas de processamento e fabricação representa atualmente um gargalo para acelerar a expansão dessas soluções²⁴. Pesquisadores e empresários nos Estados Unidos expressaram a necessidade de um instituto Manufacturing USA focado na fabricação avançada de baterias para ajudar a reduzir custos e riscos de novos materiais e técnicas de fabricação.

O setor industrial – composto por alumínio, cimento, produtos químicos, indústria leve (por exemplo, processamento de alimentos, têxteis e bens de consumo), papel e aço – precisa reduzir as emissões em 2 gigatoneladas de CO₂ ano^–1 globalmente até 2030². Aqui, os nanocatalisadores têm um papel enorme a desempenhar. Uma abordagem promissora é o desenvolvimento do hidrogénio verde; mas o processo é atualmente duas a três vezes mais caro do que a produção de hidrogénio a partir do gás pure. O hidrogénio verde barato e abundante pode servir como precursor de muitas matérias-primas químicas com elevadas emissões, como o amoníaco, o metanol, o etileno, o propileno, o benzeno, o tolueno e os xilenos, que representam cerca de 75% das emissões de GEE na indústria química a nível mundial. Várias empresas estão a trabalhar em novas formas de produzir e utilizar hidrogénio verde. Por exemplo, uma empresa desenvolveu nanocatalisadores heterogêneos para produzir hidrogênio verde (https://www.aircompany.com/know-how/) que é então usado para transformar CO capturado₂ de plantas industriais em produtos químicos de valor agregado usando um nanocatalisador. Eletrolisadores otimizados, nanocatalisadores abundantes na Terra e a melhoria da vida útil e da confiabilidade dos nanocatalisadores poderiam diminuir custos e ampliar soluções de economia round. Até o momento, existem 40 instalações comerciais de captura e utilização de GEE, responsáveis ​​por modestas 0,05 gigatoneladas de CO₂ capturado anualmente em todo o mundo². O aumento do apoio comercial e governamental impulsionou mais de 500 novas plantas piloto, projetos de demonstração e plantas comerciais em vários estágios de desenvolvimento².

O setor de transportes emite atualmente quase 8 gigatoneladas de CO₂ ano^–1 globalmente. Até 2030, uma redução de quase 2 gigatoneladas de CO₂ ano^–1 globalmente é almejado por meio de maior eficiência e adoção de tecnologia. Aditivos de nanotubos de carbono multiwall e revestimentos de carbono em partículas de silício em eletrodos de baterias de íons de lítio já estão sendo usados ​​em baterias de veículos elétricos comerciais²⁴. Uma empresa, cujas baterias estão sendo implantadas por uma grande empresa automobilística, afirma que suas baterias de íon-lítio com ânodo de silício nanocompósito podem atualmente atingir 20% mais densidade de energia do que as baterias tradicionais de íon-lítio (https://www.silanano.com/our-solutions/titan-silicon-anode) ao mesmo tempo que diminui o uso de materiais críticos. A nanotecnologia também poderá ser a chave para o fornecimento de energia móvel para além das baterias, incluindo o armazenamento de hidrogénio e soluções de células de combustível.

Numa variedade de sectores tecnológicos críticos, a nanoengenharia pode permitir o tipo de saltos de desempenho necessários para mitigar as alterações climáticas. No entanto, a gravidade e a urgência da questão exigem que consideremos não apenas o potencial técnico, mas também os obstáculos económicos, de produção, de mão-de-obra e de adopção que poderiam impedir a realização do potencial da nanotecnologia antes que danos irreversíveis sejam causados. Dada a urgência, é importante dar prioridade às tecnologias que possam ser incorporadas nas infra-estruturas e nas cadeias de abastecimento existentes, e utilizar materiais abundantes na Terra para remover barreiras à sua adopção. Existem muitos recursos federais disponíveis nos Estados Unidos (por exemplo, I-Corps, bolsas para pesquisa em inovação em pequenas empresas, ARPA-E SCALEUP) para ajudar os cientistas a aumentar o nível de prontidão tecnológica de suas invenções. Instalações de usuário financiadas pelo governo federal (https://www.nano.gov/userfacilities) também pode servir como um recurso para as empresas e os investigadores caracterizarem e desenvolverem as suas soluções climáticas. Instalações público-privadas, como a Manufacturing USA, podem fornecer capacidades de produção avançadas para soluções climáticas, mas precisam de ser expandidas para racionalizar a produção. Ferramentas de inteligência synthetic (IA) estão sendo desenvolvidas para ajudar a mover inovações de baixa prontidão tecnológica para implantação comercial. Mudanças graduais possibilitadas pela nanotecnologia nos semicondutores estão impulsionando a revolução da IA, que pode ajudar a acelerar soluções para as mudanças climáticas, combinando rapidamente capacidades com demandas técnicas. O design de nanomateriais habilitados para IA pode eventualmente permitir tecnologias há muito procuradas, como supercondutores de alta temperatura, um ciclo virtuoso que permite mais uma mudança radical na eficiência energética computacional.

As propriedades dependentes do tamanho dos nanomateriais e a capacidade de adaptar os materiais às propriedades físico-químicas desejadas podem impulsionar, e já estão impulsionando, soluções técnicas nas áreas de armazenamento de energia, catálise, interfaces e captura de GEE. Estas são oportunidades ambiental e economicamente valiosas, muitas das quais demonstraram impacto climático actual e viabilidade económica. Por seu lado, a Nano4EARTH está a mobilizar toda a comunidade nanotecnológica: investigadores, empresários, governo, indústria, investidores e filantropos para combater as alterações climáticas em todas as frentes.