Les images sont omniprésentes :Une ville côtière décimée par un autre puissant ouragan, images satellite montrant la diminution des calottes glaciaires polaires, un banc de poissons morts flottant à la surface des eaux qui se réchauffent, des étendues de terre brûlées par un incendie de forêt incontrôlable. Ces portraits sinistres partagent un fil conducteur :ils offrent des preuves tangibles que le changement climatique affecte tous les coins du globe.

Selon la Nasa, La température à la surface de la Terre a augmenté de 0,9 degré Celsius depuis l'aube de la révolution industrielle. Les chercheurs s'accordent à dire que la hausse des températures a un principal coupable :l'augmentation des émissions de gaz à effet de serre.

Les gaz à effet de serre comme le dioxyde de carbone, protoxyde d'azote, et le méthane emprisonnent tous la chaleur dans notre atmosphère, les rendant directement responsables du changement climatique. L'occurrence de ces gaz dans notre atmosphère a augmenté de façon exponentielle depuis la fin des années 1800 en raison de la croissance de l'utilisation des combustibles fossiles dans l'ensemble de l'énergie, fabrication, et les industries du transport.

Un rapport du Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat (GIEC) des Nations Unies, sorti le 8 octobre, 2018 a averti que si la température de la Terre augmente de plus de 1,5 C, les effets seraient catastrophiques. Des écosystèmes entiers pourraient être perdus, le niveau de la mer serait plus élevé, et les événements météorologiques extrêmes deviendraient encore plus fréquents. Selon le GIEC, éviter ce scénario « nécessiterait des délais rapides, des changements profonds et sans précédent dans tous les aspects de la société, ", y compris une baisse de 45 % des niveaux de dioxyde de carbone d'ici 2030.

Les chercheurs du MIT travaillent sur une myriade de technologies qui réduisent les émissions de gaz à effet de serre dans tous les secteurs. De nombreux professeurs se penchent sur l'énergie durable. Le professeur agrégé Tonio Buonassisi et son équipe du Laboratoire de recherche photovoltaïque espèrent exploiter la puissance du soleil, tandis que le professeur Alexander Slocum a mené des recherches pour rendre les éoliennes offshore plus efficaces et économiquement viables.

En plus d'explorer des formes d'énergie durables qui ne nécessitent pas de combustibles fossiles, un certain nombre de membres du corps professoral du département de génie mécanique du MIT se tournent vers des technologies qui stockent, Capturer, convertir, et minimiser les émissions de gaz à effet de serre en utilisant des approches très différentes.

Améliorer le stockage de l'énergie avec la céramique

Pour que les technologies d'énergie renouvelable comme l'énergie solaire concentrée (CSP) aient un sens économique, le stockage est crucial. Puisque le soleil ne brille pas toujours, l'énergie solaire doit être stockée d'une manière ou d'une autre pour une utilisation ultérieure. Mais les usines CSP sont actuellement limitées par leur infrastructure à base d'acier.

« L'amélioration du stockage de l'énergie est un enjeu crucial qui présente l'un des plus grands obstacles technologiques à la réduction des émissions de gaz à effet de serre, " explique Asegun Henry, le professeur de développement de carrière Noyce et professeur agrégé de génie mécanique.

Un expert en transfert de chaleur, Henry s'est tourné vers une classe improbable de matériaux pour aider à augmenter l'efficacité du stockage thermique :la céramique.

Actuellement, Les centrales CSP sont limitées par la température à laquelle elles peuvent stocker la chaleur. L'énergie thermique issue de l'énergie solaire est actuellement stockée dans du sel liquide. Ce sel liquide ne peut pas dépasser une température de 565 C car les tuyaux en acier qu'ils traversent seront corrodés.

"Il y a eu une hypothèse omniprésente que si vous allez construire quoi que ce soit avec du liquide qui coule, les tuyaux et les pompes doivent être en métal, ", dit Henry. "Nous avons essentiellement remis en question cette hypothèse."

Henri et son équipe, qui a récemment déménagé de Georgia Tech, ont développé une pompe en céramique qui permet au liquide de s'écouler à des températures beaucoup plus élevées. En janvier 2017, il a été inscrit dans le Livre Guinness des records du monde pour la "pompe à liquide à la température de fonctionnement la plus élevée". La pompe a pu faire circuler de l'étain fondu entre 1, 200 C et 1, 400 C.

« La pompe nous permet désormais de réaliser une infrastructure tout céramique pour les centrales CSP, nous permettant de faire circuler et de contrôler le métal liquide, ", ajoute Henri.

Plutôt que d'utiliser du sel liquide, Les centrales CSP peuvent désormais stocker de l'énergie dans les métaux, comme de l'étain fondu, qui ont une plage de température plus élevée et ne corroderont pas les céramiques soigneusement choisies. Cela ouvre de nouvelles voies pour le stockage et la production d'énergie. "Nous essayons d'augmenter la température si chaude que notre capacité à transformer la chaleur en électricité nous donne des options, ", explique Henri.

Une telle option, serait de stocker l'électricité sous forme de chaleur blanche incandescente comme celle d'une ampoule à filament. Cette chaleur peut ensuite être transformée en électricité en convertissant la lueur blanche à l'aide de panneaux photovoltaïques, créant ainsi un système de stockage d'énergie totalement exempt de gaz à effet de serre.

"Ce système ne peut pas fonctionner si les tuyaux sont limités en température et ont une courte durée de vie, " ajoute Henry. " C'est là que nous intervenons, nous avons maintenant les matériaux qui peuvent faire fonctionner les choses à des températures folles."

La capacité record de la pompe Henry à minimiser les émissions de gaz à effet de serre va au-delà de la modification de l'infrastructure des centrales solaires. Il espère également utiliser la pompe pour changer la façon dont l'hydrogène est produit.

Hydrogène, qui est utilisé pour faire de l'engrais, est créé en faisant réagir du méthane avec de l'eau, produisant du dioxyde de carbone. Henry recherche une toute nouvelle méthode de production d'hydrogène qui impliquerait de chauffer l'étain suffisamment chaud pour diviser directement le méthane et créer de l'hydrogène, sans introduire d'autres produits chimiques ni produire de dioxyde de carbone. Plutôt que d'émettre du dioxyde de carbone, des particules de carbone solide se formeraient et flotteraient à la surface du liquide. Ce carbone solide est quelque chose qui pourrait ensuite être vendu à plusieurs fins.

Transformer les polluants en matériaux précieux

Capter les gaz à effet de serre et les transformer en quelque chose d'utile est un objectif partagé par Betar Gallant, professeur adjoint de génie mécanique.

L'Accord de Paris, qui vise à minimiser les émissions de gaz à effet de serre à l'échelle mondiale, a déclaré que les pays participants doivent tenir compte de chaque gaz à effet de serre, même ceux émis en petites quantités. Ceux-ci incluent les gaz fluorés comme l'hexafluorure de soufre et le trifluorure d'azote. Beaucoup de ces gaz sont utilisés dans la fabrication de semi-conducteurs et des procédés métallurgiques comme la production de magnésium.

Les gaz fluorés ont jusqu'à 23, 000 fois le potentiel de réchauffement planétaire du dioxyde de carbone et ont une durée de vie de plusieurs milliers d'années. "Une fois que nous émettons ces gaz fluorés, ils sont pratiquement indestructibles, " dit Gallant.

En l'absence de réglementation en vigueur sur ces gaz, leur libération pourrait avoir un impact durable sur notre capacité à freiner le réchauffement climatique. Après la ratification de l'Accord de Paris, Gallant a vu une fenêtre d'opportunité pour utiliser son expérience en électrochimie pour capturer et convertir ces polluants nocifs.

« J'étudie les mécanismes et les réactions pour activer et convertir les polluants nocifs en matériaux stockables inoffensifs ou en quelque chose qui peut être recyclé et utilisé de manière moins nocive, " elle explique.

Sa première cible :les gaz fluorés. En utilisant la tension et les courants ainsi que la chimie, elle et son équipe ont cherché à accéder à un nouvel espace de réaction. Gallant a créé deux systèmes basés sur la réaction entre ces gaz fluorés et le lithium. Le résultat a été une cathode solide qui peut être utilisée dans les batteries.

"Nous avons identifié une réaction pour chacun de ces deux gaz fluorés, mais nous continuerons à travailler là-dessus pour comprendre comment ces réactions peuvent être modifiées pour gérer la capture à l'échelle industrielle et de grands volumes de matériaux, " Elle ajoute.

Gallant a récemment utilisé une approche similaire pour capturer et convertir les émissions de dioxyde de carbone en cathodes de carbone.

« Notre question centrale était :pouvons-nous trouver un moyen de tirer le meilleur parti du dioxyde de carbone en l'incorporant dans un dispositif de stockage d'énergie ? » elle dit.

Dans une étude récente, Gallant a d'abord traité le dioxyde de carbone dans une solution d'amine liquide. Cela a provoqué une réaction qui a créé une nouvelle phase liquide contenant des ions, qui, fortuitement, pourrait aussi être utilisé comme électrolyte. L'électrolyte a ensuite été utilisé pour assembler une batterie avec du lithium métal et du carbone. En déchargeant l'électrolyte, le dioxyde de carbone pourrait être converti en un carbonate solide tout en délivrant une puissance de sortie d'environ trois volts.

Comme la batterie se décharge en continu, il absorbe tout le dioxyde de carbone et le transforme constamment en un carbonate solide qui peut être stocké, supprimé, or even charged back to the liquid electrolyte for operation as a rechargeable battery. This process has the potential for reducing greenhouse gas emissions and adding economic value by creating a new usable product.

The next step for Gallant is taking the understandings of these reactions and actually designing a system that can be used in industry to capture and convert greenhouse gases.

"Engineers in this field have the know-how to design more efficient devices that either capture or convert greenhouse gas emissions before they get released into the environment, " she adds. "We started by building the chemical and electrochemical technology first, but we're really looking forward to pivoting next to the larger scale and seeing how to engineer these reactions into a practical device."

Closing the carbon cycle

Designing systems that capture carbon dioxide and convert it back to something useful has been a driving force in Ahmed Ghoniem's research over the past 15 years. "I have spent my entire career on the environmental impact of energy and power production, " says Ghoniem, the Ronald C. Crane Professor of Mechanical Engineering.

Dans les années 1980 et 1990, the most pressing issue for researchers working in this sphere was creating technologies that minimized the emission of criteria pollutants like nitric oxides. These pollutants produced ozone, particular matter, and smog. Ghoniem worked on new combustion systems that significantly reduced the emission of these pollutants.

Since the turn of the 21st century, his focus shifted from criteria pollutants, which were successfully curbed, to carbon dioxide emissions. The quickest solution would be to stop using fossil fuels. But Ghoniem acknowledges with 80 percent of energy production worldwide coming from fossil fuels, that's not an option:"The big problem really is, how do we continue using fossil fuels without releasing so much carbon dioxide in the environment?"

In recent years, he has worked on methods for capturing carbon dioxide from power plants for underground storage, and more recently for recycling some of the captured carbon dioxide into useful products, like fuels and chemicals. The end goal is to develop systems that efficiently and economically remove carbon dioxide from fossil fuel combustion while producing power.

"My idea is to close the carbon cycle so you can convert carbon dioxide emitted during power production back into fuel and chemicals, " he explains. Solar and other carbon-free energy sources would power the reuse process, making it a closed loop system with no net emissions.

In the first step, Ghoniem's system separates oxygen from air, so fuel can burn in pure oxygen—a process known as oxy-combustion. When this is done, the plant emits pure carbon dioxide that can be captured for storage or reuse. Pour faire ça, Ghoniem says, "We've developed ceramic membranes, chemical looping reactors, and catalysts technology, that allow us to do this efficiently."

Using alternative sources of heat, such as solar energy, the reactor temperature is raised to just shy of 1, 000 C to drive the separation of oxygen. The membranes Ghoniem's group are developing allow pure oxygen to pass through. The source of this oxygen is air in oxy-combustion applications. When recycled carbon dioxide is used instead of air, the process reduces carbon dioxide to carbon monoxide that can be used as fuel or to create new hydrocarbon fuels or chemicals, like ethanol which is mixed gasoline to fuel cars. Ghoniem's team also found that if water is used instead of air, it is reduced to hydrogen, another clean fuel.

The next step for Ghoniem's team is scaling up the membrane reactors they've developed from something that is successful in the lab, to something that could be used in industry.

Manufacturing, human behavior, and the so-called "re-bound" effect

While Henry, Gallant, Ghoniem, and a number of other MIT researchers are developing capture and reuse technologies to minimize greenhouse gas emissions, Professor Timothy Gutowski is approaching climate change from a completely different angle:the economics of manufacturing.

Gutowski understands manufacturing. He has worked on both the industry and academic side of manufacturing, was the director of MIT's Laboratory for Manufacturing and Productivity for a decade, and currently leads the Environmentally Benign Manufacturing research group at MIT. His primary research focus is assessing the environmental impact of manufacturing.

"If you analyze the global manufacturing sector, you see that the making of materials is globally bigger than making products in terms of energy usage and total carbon emitted, " Gutowski says.

As economies grow, the need for material increases, further contributing to greenhouse gas emissions. To assess the carbon footprint of a product from material production through to disposal, engineers have turned to life-cycle assessments (LCA). These LCAs suggest ways to boost efficiency and decrease environmental impact. Mais, according to Gutowski, the approach many engineers take in assessing a product's life-cycle is flawed.

"Many LCAs ignore real human behavior and the economics associated with increased efficiency, " Gutowski says.

Par exemple, LED light bulbs save a tremendous amount of energy and money compared to incandescent light bulbs. Rather than use these savings to conserve energy, many use these savings as a rationale to increase the number of light bulbs they use. Sports stadiums in particular capitalize on the cost savings offered by LED light bulbs to wrap entire fields in LED screens. In economics, this phenomenon is known as the "rebound effect."

"When you improve efficiency, the engineer may imagine that the device will be used in the exact same way as before and resources will be conserved, " explains Gutowski. But this increase in efficiency often results in an increase in production.

Another example of the rebound effect can be found in airplanes. Using composite materials to build aircrafts instead of using heavier aluminum can make airplanes lighter, thereby saving fuel. Rather than utilize this potential savings in fuel economy to minimize the impact on the environment, cependant, companies have many other options. They can use this potential weight savings to add other features to the airplane. These could include, increasing the number of seats, adding entertainment equipment, or carrying more fuel to increase the length of the journey. À la fin, there are cases were the composites airplane actually weighs more than the original aluminum airplane.

"Companies often don't think 'I'm going to save fuel'; they think about ways they can economically take advantage of increased efficiency, " Gutowski.

Gutowski is working across disciplines and fields to develop a better understanding of how engineers can improve life cycle assessment by taking economics and human behavior into account.

"The goal is to implement policies so engineers can continue to make improvements in efficiency, but these improvements actually result in a benefit to society and reduce greenhouse gas emissions, " he explains.

A global problem

The diversity of approaches to tackling climate change is reflective of the size of the problem. No one technology is going to act as a panacea for minimizing greenhouse gas emissions and staying below the crucial 1.5 C global temperature increase threshold outlined by the U.N.

"Remember, global warming is a global problem, " says Ghoniem. "No one country can solve it by itself, we must do it together."

In September 2019, the U.N. Climate Summit will convene and challenge nations across the world to throw their political and economic weight behind solving climate change. On a smaller scale, MIT is doing its part to minimize its environmental impact.

Le printemps dernier, Gutowski and Julie Newman, director of sustainability at MIT, co-taught a new class entitled 2.S999 (Solving for Carbon Neutrality at MIT). Teams of students proposed realistic scenarios for how MIT can achieve carbon neutrality. "The students were doing real work on finding ways MIT can keep our carbon down, " recalls Gutowski.

Whether it's a team of students in class 2.S999 or the upcoming U.N. Climate Summit, finding ways to minimize greenhouse gas emissions and curtail climate change is a global responsibility.

"Unless we all agree to work on it, invest resources to develop and scale solutions, and collectively implement these solutions, we will have to live with the negative consequences, " Ghoniem says.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.