Esta plataforma pode mudar a captura de carbono para sempre: PrISMa supera o “Vale da Morte”

Cientistas introduziram o PrISMa, uma plataforma inovadora que integra simulações avançadas e Aprendizado de máquina para acelerar a descoberta e implementação de materiais de captura de carbono.

Esta plataforma avalia materiais potenciais por meio de um processo abrangente que envolve química quântica e avaliação do ciclo de vida, mostrando-se eficaz em estudos de caso globais e reduzindo custos significativamente em setores como a fabricação de cimento.

Um grande obstáculo para as tecnologias de emissão zero no combate às mudanças climáticas é preencher a lacuna entre a pesquisa fundamental e sua aplicação no mundo real.

Essa lacuna, às vezes chamada de “vale da morte”, é comum no campo da captura de carbono, onde novos materiais são usados ​​para remover dióxido de carbono de gases de combustão produzidos por processos industriais. Isso impede que o carbono entre na atmosfera, ajudando a mitigar os efeitos das mudanças climáticas.

Químicos propuseram e sintetizaram milhares de novos materiais, como estruturas metal-orgânicas, com o propósito específico de capturar o máximo possível de dióxido de carbono. No entanto, embora os resultados possam parecer promissores em um ambiente de laboratório, é difícil saber quão eficazes esses materiais serão em cenários reais. Como resultado, as chances são pequenas de que algum deles cruze o vale da morte.

Soluções pioneiras

Agora, uma equipe de cientistas da Universidade Heriot-Watt está por trás de uma plataforma pioneira chamada PrISMa (Process-Informed design of tailor-made Sorbent Materials), que usa simulações avançadas e aprendizado de máquina para encontrar as combinações de processos de captura de materiais mais sustentáveis ​​e econômicas antes da implementação.

A plataforma e a pesquisa associada foram publicadas recentemente no periódico de renome internacional, Natureza.

A Professora Susana Garcia liderou o estudo e é a coordenadora do projeto para o PrISMa. Ela também é a Diretora Associada de Captura, Utilização e Armazenamento de Carbono (CCUS) no Research Centre for Carbon Solutions (RCCS) na Heriot-Watt University em Edimburgo, Escócia.

Professora Susana Garcia. Crédito: Heriot-Watt University

Ela explica: “Na última década, houve um enorme esforço dedicado à identificação de materiais promissores capazes de capturar CO₂.

“Os químicos propuseram milhares de novos materiais porosos, mas não tínhamos as ferramentas para avaliar rapidamente se algum material é promissor para um processo de captura de carbono. Avaliar tais materiais requer muitos dados experimentais e conhecimento detalhado do processo de captura. E uma avaliação cuidadosa da economia e da avaliação do ciclo de vida do processo.

“Não podemos esperar que os químicos tenham todo esse conhecimento. É aqui que o PrISMa pode fazer uma grande diferença. A plataforma PrISMa é uma ferramenta de modelagem que integra diferentes aspectos da captura de carbono, incluindo materiais, design de processo, análise econômica e avaliação do ciclo de vida. Usamos química quântica, simulação molecular e aprendizado de máquina para prever, para novos materiais, todos os dados necessários para projetar um processo. Alternativamente, podemos usar os dados experimentais de materiais sintetizados em um laboratório. A plataforma então avaliou seu desempenho em mais de 60 estudos de caso diferentes ao redor do mundo.”

O professor Garcia continua: “Esta abordagem inovadora acelera a descoberta de materiais de alto desempenho para captura de carbono, superando os métodos tradicionais de tentativa e erro. A plataforma também pode informar as diferentes partes interessadas, fornecendo aos engenheiros opções para identificar fatores desafiadores econômica e ambientalmente na fase de design de tecnologias de captura ideais, alvos de design molecular para químicos e pontos críticos ambientais para materiais, benefícios de integração local para CO₂ produtores e os melhores locais para investidores.”

PrISMa: Uma ferramenta que transforma a captura de carbono

O PrISMa já está produzindo resultados impressionantes com a plataforma tendo sido usada para simular com precisão a implementação de tecnologias de captura de carbono em plantas de cimento localizadas em diferentes regiões do mundo. Ele encontrou materiais adequados para cada local, cortando custos pela metade quando comparado com tecnologias anteriores.

O PrISMa também oferece uma ferramenta interativa que permite aos usuários explorar o potencial de mais de 1.200 materiais para aplicações de captura de carbono.

Expandindo Fronteiras Tecnológicas com Aprendizado de Máquina

“Identificar mais materiais de captura de carbono de alto desempenho aumenta a probabilidade de avançar alguns deles para o próximo Nível de Prontidão Tecnológica”, continua o Professor Garcia.

Fergus Mcilwaine, um aluno de doutorado que lidera as atividades de Machine Learning na equipe do Professor Garcia, acrescentou: “A triagem de um número tão grande de materiais requer enormes quantidades de tempo computacional. Desenvolvemos um modelo de Machine Learning que acelera significativamente esse processo, permitindo-nos descobrir materiais de baixo custo a partir de enormes espaços de design químico.”

O PrISMa foi liderado pela Universidade Heriot-Watt em parceria com cientistas do Instituto Federal Suíço de Tecnologia de Lausanne (EPFL) e ETH Zurique, Laboratório Nacional Lawrence Berkeley e a Universidade da Califórnia Berkeley nos EUA, e o Institut des Matériaux Poreux de Paris na França. O projeto recebeu financiamento do Programa ACT, da Fundação Grantham para a Proteção do Meio Ambiente e da Centro de Pesquisa e Inovação em Descarbonização Industrial (IDRIC).

O professor Garcia concluiu: “Este estudo destaca a necessidade de seguir uma abordagem holística ao avaliar tecnologias para atingir nossas metas de net-zero. A plataforma acelera a descoberta de materiais para aplicações de captura de carbono e concentra os esforços de Pesquisa e Desenvolvimento em direção a metas de desempenho atingíveis em escala.

“A ferramenta pode ajudar tremendamente nossos esforços atuais de descarbonização industrial. Ela pode desempenhar um papel fundamental em informar estratégias de investimento e decisões políticas sobre soluções de captura de carbono mais sustentáveis ​​e econômicas.”

Referência: “Uma plataforma holística para acelerar a captura de carbono baseada em sorventes” por Charithea Charalambous, Elias Moubarak, Johannes Schilling, Eva Sanchez Fernandez, Jin-Yu Wang, Laura Herraiz, Fergus Mcilwaine, Shing Bo Peh, Matthew Garvin, Kevin Maik Jablonka, Seyed Mohamad Moosavi, Joren Van Herck, Aysu Yurdusen Ozturk, Alireza Pourghaderi, Ah-Young Song, Georges Mouchaham, Christian Serre, Jeffrey A. Reimer, André Bardow, Berend Smit e Susana Garcia, 17 de julho de 2024, Natureza.
DOI: 10.1038/s41586-024-07683-8