Em 11 de abril de 2022, o MIT anunciou cinco projetos emblema¡ticos plurianuais no primeiro Climate Grand Challenges, uma nova iniciativa para enfrentar problemas clima¡ticos complexos e fornecer soluções inovadoras para o mundo o mais rápido possí­vel. Este éo segundo artigo de uma sanãrie de cinco partes, destacando os conceitos mais promissores que surgiram da competição e as equipes de pesquisa interdisciplinar por trás deles.

Um dos maiores saltos que a humanidade poderia dar para reduzir drasticamente as emissaµes de gases de efeito estufa globalmente seria a descarbonização completa da indaºstria. Mas sem encontrar substitutos de baixo custo e ecologicamente corretos para materiais industriais, a produção tradicional de aa§o, cimento, ama´nia e etileno continuara¡ bombeando bilhaµes de toneladas de carbono anualmente; esses setores sozinhos são responsa¡veis ​​por pelo menos um tera§o das emissaµes globais de gases de efeito estufa da sociedade. 

Um grande problema éque os fabricantes industriais, cujo sucesso depende de manãtodos de produção confia¡veis, econa´micos e em larga escala, investem muito em processos que historicamente foram movidos a combusta­veis fa³sseis para mudar rapidamente para novas alternativas. a‰ uma ma¡quina que começou hámais de 100 anos e que o engenheiro eletroqua­mico do MIT, Yet-Ming Chiang , diz que não podemos desligar sem grandes interrupções na enorme cadeia de suprimentos mundial desses materiais. O que énecessa¡rio, diz Chiang, éum esfora§o mais amplo e colaborativo de energia limpa que leve “pesquisa fundamental direcionada, atédemonstrações piloto que reduzam bastante o risco de adoção de novas tecnologias pela indaºstria”.

Esta seria uma nova abordagem para a descarbonização da produção de materiais industriais que depende de processos eletroquímicos amplamente inexplorados, mas mais limpos. Novos manãtodos de produção podem ser otimizados e integrados a  ma¡quina industrial para fazaª-la funcionar com eletricidade renova¡vel e de baixo custo no lugar de combusta­veis fa³sseis. 

Reconhecendo isso, Chiang, o professor Kyocera no Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais, juntou-se ao colaborador de pesquisa Bilge Yildiz , o professor Breene M. Kerr de Ciência e Engenharia Nuclear e professor de ciência e engenharia de materiais, com contribuições importantes de Karthish Manthiram , professor visitante no Departamento de Engenharia Quí­mica, para apresentar uma proposta de projeto ao MIT Climate Grand Challenges . Seu plano: criar um centro de inovação no campus que reuniria pesquisadores do MIT investigando individualmente a descarbonização de aa§o, cimento, ama´nia e etileno sob o mesmo teto, combinando equipamentos de pesquisa e colaborando diretamente em novos manãtodos para produzir esses quatro materiais principais.

Muitos pesquisadores do MIT já se juntaram ao esfora§o, incluindo Antoine Allanore, professor associado de metalurgia, especializado no desenvolvimento de materiais e processos de fabricação sustenta¡veis, e Elsa Olivetti, Esther e Harold E. Edgerton Professor Associado do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais, especialista em economia de materiais e sustentabilidade. Outros professores do MIT atualmente envolvidos incluem Fikile Brushett, Betar Gallant, Ahmed Ghoniem, William Green, Jeffrey Grossman, Ju Li, Yuriy Roma¡n-Leshkov, Yang Shao-Horn, Robert Stoner, Yogesh Surendranath, Timothy Swager e Kripa Varanasi.

“A equipe que reunimos tem a experiência necessa¡ria para enfrentar esses desafios, incluindo eletroquímica osusando eletricidade para descarbonizar esses processos químicos ose ciência e engenharia de materiais, projeto de processos e análise tecnoecona´mica em escala e integração de sistemas, tudo necessa¡rio para isso para sair de nossos laboratórios para o campo”, diz Yildiz.

Selecionado a partir de um campo de mais de 100 propostas, seu Centro de Eletrificação e Descarbonização da Indústria (CEDI) seráo primeiro instituto desse tipo em todo o mundo dedicado a testar e dimensionar as tecnologias mais inovadoras e promissoras em produtos químicos e materiais sustenta¡veis. O CEDI trabalhara¡ para facilitar a rápida tradução de descobertas de laboratório em soluções industriais acessa­veis e escala¡veis, com potencial para compensar até15% das emissaµes de gases de efeito estufa. A equipe estima que alguns projetos do CEDI já em andamento podera£o ser comercializados em três anos.

“A linha do tempo real éo mais rápido possí­vel”, diz Chiang.

Para atingir as metas ambiciosas do CEDI, uma localização física éfundamental, com corpo docente permanente, bem como alunos de graduação, pós-graduação e pa³s-doutorado. Yildiz diz que o sucesso do centro dependera¡ do envolvimento de estudantes pesquisadores para levar adiante as pesquisas que abordam os maiores desafios conta­nuos para a descarbonização da indaºstria.

“Estamos treinando jovens cientistas, estudantes, sobre a urgência aprendida do problema”, diz Yildiz. “Na³s os capacitamos com as habilidades necessa¡rias e, mesmo que um projeto individual não encontre a implementação no campo imediatamente, pelo menos tera­amos treinado a próxima geração que continuara¡ a persegui-los no campo.”

A formação de Chiang em eletroquímica mostrou a ele como a eficiência da produção de cimento poderia se beneficiar da adoção de fontes de eletricidade limpas, e o trabalho de Yildiz em etileno, a fonte de pla¡stico e um dos produtos químicos mais valiosos da indaºstria, revelou benefa­cios de custo negligenciados para mudar para processos eletroquímicos com menos materiais de partida caros. Com parceiros da indaºstria, eles esperam continuar essas linhas de pesquisa fundamental junto com Allanore, que estãofocado na produção de aa§o eletrificado, e Manthiram, que estãodesenvolvendo novos processos para ama´nia. A Olivetti se concentrara¡ em entender os riscos e as barreiras a  implementação. Essa abordagem multilateral visa acelerar o cronograma para a adoção de novas tecnologias pela indústria na escala necessa¡ria para o impacto global.

“Um dos pontos de destaque em todo este centro seráaplicar a análise tecnoecona´mica do que épreciso para ter sucesso emníveltanãcnico e econa´mico, o mais cedo possí­vel no processo”, diz Chiang.

O impacto da adoção em larga escala da indústria de fontes de energia limpa nessas quatro áreas-chave que o CEDI planeja atingir primeiro seria profundo, pois esses setores são atualmente responsa¡veis ​​por 7,5 bilhaµes de toneladas de emissaµes anuais. Existe o potencial para um impacto ainda maior nas emissaµes a  medida que novos conhecimentos são aplicados a outros produtos industriais além das quatro metas iniciais de aa§o, cimento, ama´nia e etileno. Enquanto isso, o centro permanecera¡ como um centro para atrair novos setores, partes interessadas do governo e parceiros de pesquisa para colaborar em soluções urgentemente necessa¡rias, tanto recanãm-surgidas quanto hámuito atrasadas.

Quando Chiang e Yildiz se encontraram pela primeira vez para discutir ideias para os Grandes Desafios Clima¡ticos do MIT, eles decidiram que queriam construir um centro de pesquisa climática que funcionasse como nenhum outro para ajudar a impulsionar a grande indústria em direção a  descarbonização. Além de considerar como novas soluções impactara£o os resultados da indaºstria, o CEDI também investigara¡ sinergias únicas que podem surgir da eletrificação da indaºstria, como processos que criariam novos subprodutos que poderiam ser matéria-prima para outros processos da indaºstria, reduzindo o desperda­cio e aumentando a eficiência na sistema maior. E porque a indústria étão boa em escala, esses benefa­cios adicionais seriam generalizados, finalmente substituindo tecnologias centena¡rias por atualizações cra­ticas projetadas para melhorar a produção e reduzir marcadamente a pegada de carbono da indústria mais cedo ou mais tarde.

“Tudo o que fazemos, vamos tentar fazer com urgência”, diz Chiang. “A pesquisa fundamental seráfeita com urgência, e a transição para a comercialização, faremos com urgência”.