Απίστευτο! Ηλεκτρογεωργία: Η μυστική τεχνική που κάνει τα φυτά να ανθίσουν στο σκοτάδι!

Τα φυτά χρησιμοποιούν φωτοσύνθεση για να μετατρέψουν το διοξείδιο του άνθρακα (CO₂) σε μόρια που μπορούν να μεταβολίσουν. Ωστόσο, αυτή δεν είναι η μόνη διαδικασία που μπορεί να δημιουργήσει αυτά τα μόρια – και μια νέα χαρτίπου δημοσιεύτηκε στις 23 Οκτωβρίου στο Μονάδα ενέργειας ή έργουεξετάζει τη δυνατότητα παροχής τροφής στα φυτά μέσω μιας διαδικασίας που θα τους επέτρεπε να αναπτυχθούν χωρίς καθόλου φωτοσύνθεση.

Εάν αυτό μπορούσε να επιτευχθεί, θα επέτρεπε στα φυτά να αναπτυχθούν χωρίς ηλιακό φως, ανοίγοντας την πόρτα σε αυτό που η εφημερίδα αποκαλεί «ηλεκτρογεωργία». Η εφημερίδα προβλέπει ένα ουτοπικό μέλλον όπου οι καλλιέργειες θα μπορούσαν να καλλιεργηθούν σε κάθε είδους τοποθεσίες όπου η γεωργία είναι επί του παρόντος αδύνατη—η εφημερίδα αναφέρει ως πιθανότητες «αστικά κέντρα, άνυδρες ερήμους και ακόμη και περιβάλλοντα του διαστήματος»— ενώ τεράστιες εκτάσεις γης χρησιμοποιούνται επί του παρόντος για τη γεωργία μπορούσε να ξαναφυτευτεί με δέντρα. Εικάζεται επίσης για τη δυνατότητα χρήσης της τεχνολογίας στο διάστημα ή/και στον Άρη.

Η τεχνική πίσω από αυτούς τους υψηλούς στόχους είναι σχετικά κοσμική: ηλεκτρόλυσηπου είναι η χρήση ηλεκτρικού ρεύματος για να οδηγήσει μια χημική αντίδραση. Η διαδικασία είναι εκατοντάδων ετών — πρωτοπαρουσιάστηκε στα τέλη του 18ου αιώνα και χρησιμοποιήθηκε περίφημα από τον Βρετανό χημικό Sir Humphry Davy να απομονώσει πολλαπλά νέα στοιχεία στις αρχές του 1800. Σήμερα χρησιμοποιείται για κάθε είδους πράγματα, από διύλιση μετάλλων να αποτρίχωση.

Ηλεκτρόλυση CO₂ δημιουργεί μια ποικιλία βασικών υδρογονανθράκων και συναφών απλών μορίων. Παραδείγματα περιλαμβάνουν μεθανόλη, αιθανόλη, αιθυλένιο, μυρμηκικό και οξικό. Ωστόσο, δεν μπορούν όλα αυτά να μεταβολιστούν από τα φυτά, και αυτά που μπορούν—αιθανόλη και οξικό— είναι σχετικά δύσκολο να παραχθούν.

Όπως εξηγεί ο Feng Jiao, ένας από τους συν-συγγραφείς της εφημερίδας Λαϊκή Επιστήμη«Σε βασική Κ.Ο₂ ηλεκτρόλυση, το οξικό είναι ένα δευτερεύον προϊόν, με επιλεκτικότητα μικρότερη από 10%. Για να είναι η ηλεκτρόλυση βιώσιμη πηγή διατροφής των φυτών, αυτό το ποσοστό θα πρέπει να αυξηθεί σημαντικά. Η εργασία περιγράφει μια βασική πρόοδο σε αυτόν τον τομέα: τη χρήση μιας προσέγγισης δύο βημάτων, την οποία οι ερευνητές αποκαλούν «διαδοχική διαδικασία ηλεκτρόλυσης». Σε αυτή τη διαδικασία, η CO₂ αρχικά ανάγεται σε μονοξείδιο του άνθρακα (CO). Το δεύτερο βήμα περιλαμβάνει τη μετατροπή του CO σε οξικό.

Αυτό αποφεύγει ένα πρόβλημα με την άμεση μετατροπή του CO₂ σε οξικό: CO₂ είναι ένα όξινο αέριο, ενώ το οξικό – ως ανιόν – είναι βασικό. Αντίθετα, το CO δεν είναι όξινο, και όπως εξηγεί ο Jiao, «Το προκύπτον υψηλό pH… προάγει τον σχηματισμό οξικού κατά την ηλεκτροκαταλυτική αντίδραση μείωσης του CO. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο η διεργασία σε συνδυασμό δείχνει πολύ υψηλότερη αποτελεσματικότητα στην παραγωγή οξικού άλατος». Πόσο ψηλότερα; Ο Jiao λέει, «Η διαδικασία… μπορεί να επιτύχει επιλεκτικότητα οξικού σχεδόν 90%.

Το υπόλοιπο 10% είναι υποπροϊόντα, κυρίως αιθυλένιο και υδρογόνο. Και τα δύο, όπως επισημαίνει ο Jiao, μπορούν να χρησιμοποιηθούν σωστά: «[Ethylene and hydrogen] είναι ευρέως χρησιμοποιούμενα βασικά χημικά στη βιομηχανία και μπορούν να επαναχρησιμοποιηθούν για άλλες εφαρμογές, όπως η μετατροπή του αιθυλενίου σε πλαστικά και πολυμερή».

Φυσικά, όπως υποδηλώνει το όνομα, η ηλεκτρόλυση απαιτεί ηλεκτρική ενέργεια. Από αυτή την άποψη, η ηλεκτρο-γεωργία θα διέφερε θεμελιωδώς από τη συμβατική γεωργία: αν και τα αγροκτήματα καταναλώνουν προφανώς ηλεκτρική ενέργεια, στο πιο βασικό επίπεδο, η φωτοσύνθεση δεν απαιτεί ενέργεια.

Σε έναν ιδανικό κόσμο, λέει ο Jiao, η ισχύς για την ηλεκτρο-γεωργία θα προερχόταν από ανανεώσιμες πηγές, αν και παραδέχεται ότι δεν θα έχω προς: «Η ηλεκτρική ενέργεια μπορεί να προέρχεται από το υπάρχον δίκτυο και δεν χρειάζεται απαραίτητα να είναι ανανεώσιμη». Το έγγραφο προβλέπει την καλλιέργεια φυτών σε πολυεπίπεδες κατασκευές με ηλιακούς συλλέκτες στον τελευταίο όροφο. (Η χρήση της ηλιακής ενέργειας θα ήταν επίσης ευεργετική, λέει ο Jiao, επειδή «ορισμένα φυτά μπορεί να αναπτυχθούν καλύτερα σε συνθήκες χαμηλού φωτισμού σε σύγκριση με το απόλυτο σκοτάδι.)

Ωστόσο, η ανάπτυξη της ηλεκτρο-γεωργίας σε κλίμακα θα απαιτούσε α παρτίδα των ηλιακών συλλεκτών. Η δημοσίευση εκτιμά ότι για να τροφοδοτηθούν ολόκληρες οι ΗΠΑ χρησιμοποιώντας τη διαδικασία tandem, η ηλεκτροκαλλιέργεια θα απαιτούσε 19.600 TWh ετησίως—σχεδόν πέντε φορές σε σχέση με τις ΗΠΑ. ολόκληρη τη ζήτηση ενέργειας το 2023.

Φυσικά, κανείς δεν υποστηρίζει τη χονδρική αναδιάρθρωση της τροφικής αλυσίδας των ΗΠΑ με βάση την ηλεκτρόλυση και η ηλεκτρο-γεωργία θα μπορούσε να αναπτυχθεί σε πολύ μικρότερες κλίμακες για να επιτρέψει την καλλιέργεια τροφίμων, για παράδειγμα, σε αστικές ερήμους τροφίμων. Πέρα από τέτοιες εφαρμογές, όμως, το προφανές ερώτημα είναι εάν υπάρχει κάποιο πλεονέκτημα στη χρήση της ηλιακής ενέργειας για ηλεκτρόλυση, αντί να επιτρέπεται απλώς στα φυτά να τη χρησιμοποιούν για φωτοσύνθεση.

Η δημοσίευση σημειώνει ότι από μόνη της, η ηλεκτρόλυση είναι μια πολύ πιο αποτελεσματική διαδικασία από τη φωτοσύνθεση: «Χρησιμοποιώντας τις ίδιες πρωτογενείς εισόδους με τη φωτοσύνθεση (CO₂ηλιακό φως και νερό), η ηλεκτρο-γεωργία προσφέρει τουλάχιστον τετραπλάσια βελτίωση στην απόδοση ηλιακής ενέργειας σε τροφή σε σχέση με την παραδοσιακή γεωργία». Θα μπορούσε επίσης να προσφέρει άλλα οφέλη, όπως η μείωση της απορροής λιπασμάτων: Ο Jiao λέει ότι «όταν τα φυτά αναπτύσσονται σε ελεγχόμενο περιβάλλον, η χρήση των λιπασμάτων μπορεί να βελτιωθεί σημαντικά με την πρόληψη της απορροής. Σε συνδυασμό με υψηλή απόδοση ηλιακής ενέργειας σε βιομάζα, [electro-agriculture] θα μπορούσε να μειώσει τα απόβλητα λιπασμάτων έως και 90%.

Πέρα από το ζήτημα της ισχύος, το άλλο πιεστικό ερώτημα σχετικά με τη βιωσιμότητα της ηλεκτρο-γεωργίας είναι αυτό όπου το CO₂ θα προερχόταν από. Τα φυτά που καλλιεργούνται σε ανοιχτό χώρο φωτοσυνθέτουν ατμοσφαιρικό CO₂αλλά η ηλεκτρογεωργία θα απαιτούσε αποκλειστικές πηγές φυσικού αερίου. Το έγγραφο εξετάζει πόσο μεγάλο μέρος του πληθυσμού των ΗΠΑ θα μπορούσε να τροφοδοτηθεί με τη σύλληψη των 963 Mt CO₂ αυτή τη στιγμή παράγεται από την τροφοδοσία του βιομηχανικού τομέα των ΗΠΑ, φτάνοντας σε ποσοστό 56% του πληθυσμού. Με παρέκταση αυτού στην ποσότητα του CO₂ που απαιτείται για τη διατροφή ολόκληρου του πληθυσμού των ΗΠΑ δίνει έναν αριθμό 1.719 Mt.

Και πάλι, αυτό είναι ένα μεγάλο ποσό: για σύγκριση, οι καθαρές εκπομπές ολόκληρων των ΗΠΑ το 2024 ήταν 5.489 Mt CO2₂-ισοδύναμος. Θεωρητικά, αυτό φαίνεται σαν μια τέλεια χρήση για αυτές τις εκπομπές, αλλά ενώ η δέσμευση και αποθήκευση άνθρακα έχει προταθεί εδώ και καιρό ως μαγική σφαίρα για την κλιματική αλλαγή, το 2024 παραμένει σε μεγάλο βαθμό μια υποθετική λύση: υπάρχουν μόνο 50 έργα CCS που λειτουργούν σε ολόκληρο τον κόσμο και μπορούν να συλλάβουν συνολικά 51 Mt CO₂ ανά έτος.

Παρά τα οράματα της εφημερίδας για ένα μέλλον όπου «το μισό από [the USA’s] γη [could be freed] για την αποκατάσταση του οικοσυστήματος και τη φυσική δέσμευση άνθρακα», η ιδέα της χρήσης ηλεκτρόλυσης ως χονδρικής αντικατάστασης για τη συμβατική γεωργία φαίνεται πολύ μακριά — τουλάχιστον στη γη. Όπως σημειώνει η εφημερίδα, η ατμόσφαιρα του Άρη είναι 95% CO₂το οποίο ίσως υποδηλώνει έναν άλλο λόγο για τον οποίο «πολλές πρόσφατες εργασίες επιδίωξαν να ωθήσουν την τεχνολογία electro-ag προς την εμπορευματοποίηση».

Πίσω στον πλανήτη Γη, φαίνεται δίκαιο να πούμε ότι ενώ οι δραματικές βελτιώσεις στην αποτελεσματικότητα της παραγωγής οξικού καθιστούν το CO₂ Η ηλεκτρόλυση είναι μια πολλά υποσχόμενη προοπτική, υπάρχουν σημαντικές προκλήσεις στην εφαρμογή της. Ο Jiao προβλέπει ότι η νέα τεχνική θα μπορούσε να βρει κάποιες εξειδικευμένες χρήσεις μέσα σε μια δεκαετία, αλλά τελικά, «Η καλλιέργεια φυτών χωρίς φως είναι ακόμα στα αρχικά της στάδια. Απαιτούνται περαιτέρω έρευνα και ανάπτυξη για την πλήρη εμπορευματοποίηση αυτής της τεχνολογίας και την αξιοποίηση του πλήρους δυναμικού της».