Das Alterações Climáticas. Está ruim e está piorando. A principal causa é a queima de combustíveis fósseis, que emite CO2 para a atmosfera. O dióxido de carbono, como todos já sabemos muito bem, é um gás com efeito de estufa, o que significa que absorve a radiação térmica da Terra, impedindo-a de escapar para o espaço.
Uma certa quantidade disso é boa – sem CO2 a Terra ficaria tão fria que os oceanos congelariam. Mas na época pré-industrial a concentração de CO2 na atmosfera era de cerca de 280 partes por milhão (ppm). Agora são 420 ppm, ou 50% mais. (Você pode se surpreender ao saber que CO2 ainda representa apenas 0,04% do ar que respiramos, mas isso é o suficiente para estragar tudo.)
E se pudéssemos remover o dióxido de carbono da atmosfera? Esta é uma ideia que algumas startups já estão experimentando – é chamada de captura direta de ar. O único problema é que remover a pequena fração de C02 do ar, que contém 99% de nitrogênio e oxigênio, consome muita energia, e nossa fome por energia foi o que nos colocou nessa confusão, em primeiro lugar.
Quanta energia seria necessária? Estou feliz que você perguntou. Podemos estimar isso usando algumas ideias fundamentais em termodinâmica.
Expansão Gratuita de Gás
Vamos começar com um exemplo simples. Imagine que temos uma caixa com volume de 1 metro cúbico e que possui uma divisória que a divide em duas metades iguais. De um lado contém nitrogênio à pressão e temperatura atmosféricas, e o outro lado está completamente vazio. Aqui está um diagrama:
Podemos modelar esse gás como um monte de pequenas bolas (moléculas de nitrogênio) saltando. Quando uma bola de nitrogênio colide com a parede do recipiente, ela dá um pequeno empurrão. Todos esses empurrões são o que fazem com que o gás tenha pressão. Neste caso, é uma pressão de 1 atmosfera, ou cerca de 100.000 newtons por metro quadrado. (Um N/m2 também é chamado de pascal).
Suponha que deixemos a parede divisória do meio se mover? Como existe pressão do gás, existe uma força na parede à medida que ela desliza até o fim. De acordo com o princípio trabalho-energia, uma força aplicada à distância significa que o movimento da parede pode realizar trabalho e que esse trabalho pode alterar a energia de alguma coisa. Ao permitir que este gás se expanda, podemos obter energia deste sistema.
Na verdade, sempre que você aumenta a entropia de um sistema, você pode obter energia extra. Espere o que? O que diabos é entropia? Devíamos conversar sobre isso. Resumindo, a entropia é uma medida da quantidade de desordem em um sistema. Na termodinâmica, os sistemas tendem a passar de um estado de baixa entropia para uma entropia mais alta – o que significa que ficam mais desordenados com o tempo, como o quarto de um adolescente.
Assim, na nossa caixa, quando o gás se expande para encher todo o recipiente (chamamos isso de expansão livre), o sistema fica “mais desordenado”, pois não está mais separado em dois compartimentos e a entropia aumenta.
Mas por que nos importamos? Bem, é possível calcular a variação na entropia de um gás em expansão e usá-la para determinar a variação na energia. Como este não é um curso de termodinâmica 401, vou apenas mostrar a equação e dar uma breve explicação:
Nesta expressão, ΔS é a mudança na entropia (em joules por Kelvin). V1 e V2 são os volumes inicial e final, N é o número de partículas. Finalmente, k é a constante de Boltzmann com um valor de 1,38 x 10-23 joules por Kelvin. Podemos calcular a mudança na energia (ΔE) do gás como:
Aqui T é a temperatura do gás em Kelvins. OK, vamos fazer um cálculo rápido. Suponha que eu tenha 0,5 m3 de ar que deixei expandir em 1 m3. Se a temperatura permanecer constante, então esta mudança na entropia resultará numa diminuição de energia de 37.000 joules. Isso significa que esse gás poderia emprestar essa energia para algum uso produtivo – como torrar um Pop-Tart.
Separando Gases Mistos
Aqui está o legal: podemos usar a mesma ideia sobre mudanças na entropia ao separar gases para estimar a necessidade de energia para remover CO2 do ar. Em vez de deixar um gás expandir-se para um volume maior, queremos pegar numa mistura de dois gases e movê-los para lados opostos do recipiente.
Apenas para lhe mostrar como seria, suponha que temos um gás de bola vermelha misturado com um gás de bola azul. Poderíamos então usar duas paredes mágicas móveis. Uma parede deixa passar apenas bolas azuis, a outra deixa passar apenas bolas vermelhas. Depois de mover essas paredes, teríamos uma separação de gases.
Basicamente, estamos comprimindo esses dois gases do seu espaço original (o recipiente inteiro) em compartimentos separados e organizados, como meias e shorts em gavetas diferentes. Digamos que começamos com um volume V; agora estão aí N1 bolas vermelhas em um novo volume V1v N2 bolas azuis no volume V2.
Ambos V1 e V2 são menores que o volume original V (duh), então V1/V e V2/V são menores que 1 – e quando calculamos o logaritmo de uma fração, obtemos um número negativo. Isso significa a mudança na entropia, ΔS, será negativo. Com um declínio na entropia, obtemos positivo mudança na energia, então devemos adicionar energia ao sistema para que isso aconteça. (Sim, assim como é preciso energia para limpar seu quarto.)
Captura de dióxido de carbono
OK, agora temos a física da separação de gases, então vamos usá-la. Quanta energia seria necessária para retirar moléculas de dióxido de carbono do ar? Este é um cálculo difícil, mas vamos começar aos poucos, com 1 metro cúbico de ar. (Para simplificar, digamos novamente que é principalmente nitrogênio.) A uma temperatura ambiente de 293 K (68 Fahrenheit) e pressão atmosférica de 1 atmosfera, isso seria 2,47 x 1025 moléculas. A 400 ppm, 9,89 x 1021 destes será dióxido de carbono. Queremos levar o CO2 moléculas e movê-las para seu próprio compartimento.
Se assumirmos tanto o nitrogênio quanto o CO2 moléculas se comportam como gases ideais, então lidamos com a pressão do gás em vez do volume. Teríamos que usar a pressão para encontrar o volume de qualquer maneira – mas neste caso podemos considerar que o nitrogênio está próximo de 1 atmosfera de pressão e a pressão parcial do CO2 seria 400 milionésimos (0,0004) da pressão atmosférica. A energia necessária para separar o CO2 seria então:
Analisando os números, seriam necessários 313 joules de energia para capturar o dióxido de carbono nesta caixa. Se olharmos em termos de massa, a massa total do gás seria de 1,2 quilogramas, dos quais 0,48 gramas são CO2. Isso significa que serão necessários 652 mil joules de energia para cada quilograma de dióxido de carbono que obtivermos do ar. Ou devo dizer, vai demorar pelo menos tanta energia. Nenhum processo é perfeitamente eficiente, então esse é um mínimo teórico.
Mas quanto dióxido de carbono existe na atmosfera? Essa não é uma pergunta fácil. Sim, a proporção gira em torno de 400 ppm, mas precisamos saber quantas partículas existem na atmosfera. Bem, tudo bem. Vamos apenas fazer uma aproximação aproximada (é o que os físicos fazem).
Suponha que levemos o ar até 5 quilômetros acima da superfície da Terra. Posso assumir que isto tem uma densidade constante de 1,2 quilogramas por metro cúbico e 400 em 1 milhão dessas moléculas são CO2dando-nos um CO total2 massa de 1,2 x 1015 quilogramas, ou 1,2 trilhão de toneladas métricas. Sim, isso é MUITO e provavelmente é uma estimativa inferior.
Se quiséssemos remover CO suficiente2 para voltar ao nível pré-industrial de 280 ppm, seriam necessários 2,39 x 1020 joules de energia. Para uma verificação da realidade, isso é quase tanto quanto o consumo anual total de energia do mundo (5,8 x 1021 joules todos os anos).
Mas não importa isso. O problema mais urgente é que ainda estamos colocando mais dióxido de carbono na atmosfera o tempo todo. Em 2023, o CO total2 as emissões foram de cerca de 37 bilhões de toneladas métricas. Se quiséssemos remover apenas esta quantidade todos os anos, para evitar que o nível de dióxido de carbono subisse, seriam necessários 764 gigawatts de energia.
Só para ficar claro, uma usina nuclear produz cerca de 1 GW. Se incluirmos as ineficiências de todo o processo de captura direta de ar, provavelmente seriam necessárias mais de 1.000 usinas nucleares.
Agora, esta é realmente uma estimativa aproximada – as coisas ficam muito mais complicadas quando levamos em conta a interação do CO atmosférico2 com rochas e oceanos e coisas. Mas acho que a conclusão é bastante clara: qualquer ideia de que podemos manter nosso estilo de vida atual e simplesmente sugar o CO2 sair do ar depois é uma fantasia. Estaríamos muito melhor se dedicassemos esse esforço e despesas à eliminação de emissões.
