A aviação foi um dos milagres do século 20 – ela simultaneamente tornou o mundo menor e o abriu para novas possibilidades. Podemos visitar familiares e amigos que moram longe de casa, transportar mercadorias rapidamente entre países e ver lugares distantes.

No entanto, as viagens aéreas também são a forma de transporte com maior emissão de carbono : a indústria da aviação é responsável por cerca de 2,4% das emissões globais de dióxido de carbono. Ao incluir os gases e rastros de vapor produzidos pelas aeronaves, a indústria é responsável por cerca de 5% do aquecimento global.

Embora apenas uma pequena fração da população mundial viaje regularmente de avião, prevê-se que essa proporção aumente rapidamente nas próximas décadas. A indústria precisa descarbonizar, e rápido.

Combustível de aviação típico tem uma densidade de energia muito alta, muito maior do que as baterias. “Se tentarmos projetar um avião de passageiros movido a bateria com capacidade e alcance de, por exemplo, um Boeing 737, seria muito pesado para decolar”, disse o professor Andy Sederman, do Departamento de Engenharia Química e Biotecnologia de Cambridge. “As baterias simplesmente não têm densidade de energia suficiente para este tipo de aeronave – pelo menos não ainda.”

O combustível que alimenta as aeronaves é baseado em combustíveis fósseis, mas a indústria da aviação está trabalhando em maneiras de produzir combustíveis de aviação sustentáveis, sejam eles gerados a partir de plantas, resíduos sólidos ou eletricidade renovável.

O combustível de aviação sustentável, que atende pelo acrônimo SAF na indústria, pode reduzir as emissões da aviação em 80% ou mais ao longo de todo o seu ciclo de vida, de acordo com a Associação Internacional de Transporte Aéreo (IATA). Mais de 100 milhões de litros de SAF foram produzidos em 2021: um número impressionante, mas uma proporção ínfima do uso anual total de combustível da aviação.

“Como acontece com quase todas as novas tecnologias, os desafios são custo e escala”, disse Sederman. “Podemos produzir combustível de aviação sustentável, mas, no momento, não pode competir comercialmente com os combustíveis fósseis.”

Em pesquisa financiada pela Shell, Sederman e seus colegas em Cambridge estão trabalhando em novas maneiras de produzir SAF e melhorar o SAF que temos atualmente.

Os pesquisadores usam métodos de ressonância magnética (MR) – incluindo imagens (MRI) e espectroscopia (NMR) – para entender melhor a reação de Fischer-Tropsch, que é um processo técnico fundamental em uma das possíveis rotas de produção para SAF. A MR é um ponto forte da pesquisa em Cambridge – também é usada para desenvolver baterias de última geração, outra tecnologia vital na transição energética.

Por vários anos, os pesquisadores de Cambridge têm usado NMR e MRI para entender melhor os processos químicos e de engenharia dentro de um reator Fischer-Tropsch em funcionamento, onde o gás de síntese – uma combinação de monóxido de carbono e hidrogênio – é convertido em moléculas de hidrocarbonetos que formam a base de combustível líquido de aviação.

Em seu Energy Transition Campus em Amsterdã, a Shell possui reatores Fischer-Tropsch em escala de laboratório para ajudá-los a entender o processo geral de reação. Esses reatores são como caixas-pretas e até agora não foi possível sondar a química que ocorre dentro dos reatores, o que dificulta a otimização de combustíveis sustentáveis ??nesses reatores. Em Cambridge, no entanto, é possível ver dentro da caixa preta.

“No final do processo Fischer-Tropsch, você tem algo quimicamente semelhante ao combustível de aviação”, disse o professor Mick Mantle, também do Departamento de Engenharia Química e Biotecnologia. “Usamos RMN e ressonância magnética para entender melhor o que está acontecendo em nível molecular durante o processo Fischer-Tropsch.”

Usando técnicas de RMN, os pesquisadores de Cambridge podem monitorar em tempo real a evolução da formação de produtos químicos dentro do reator Fischer-Tropsch sob condições industriais realistas. Por exemplo, monitorar a evolução do crescimento do comprimento da cadeia de hidrocarbonetos permite que os pesquisadores entendam melhor como otimizar o produto final para uso como combustível de aviação. Esses experimentos fornecem dados valiosos para empresas de combustíveis, ajudando a acelerar a transição para combustíveis sustentáveis.

Um avanço importante do trabalho que está sendo feito pelo grupo de Cambridge é o uso de imagens de ressonância magnética de alta resolução, que fornecem medições de reação dentro de pastilhas de catalisador individuais dentro do reator. Isso fornece informações locais inigualáveis ??sobre as condições reais sob as quais a reação está ocorrendo.

“Nossa pesquisa é fundamental, em termos de fornecer o conhecimento físico e químico para as empresas que farão o SAF em escala”, disse Mantle.

“Aqui em Cambridge, temos uma capacidade única quando se trata de reatores de imagem em condições realistas”, disse Sederman. “Podemos observar as reações em tempo real e descobrir como otimizá-las.”

“As empresas do setor de energia tradicional perceberam que elas próprias devem fazer parte da transição energética e da solução – isso é o que pesquisadores acadêmicos e engenheiros químicos industriais deveriam fazer”, disse Mantle.

“A colaboração com a Shell reúne seus especialistas industriais com nossa experiência em pesquisa e nos permite fazer avanços exclusivos para esses problemas do mundo real que enfrentamos”, disse Sederman.

“Espero que isso seja bom para nossa pesquisa, mas se pudermos ajudar a desenvolver esses processos, também pode ser bom para o planeta.”