Пилотна технология за директно улавяне на CO₂ от въздуха посредством каскада от биологични и небиологични мембрани (m-DAC4)

Проектът "m-DAC4" е насочен към разработването на иновативна хибридна технология за улавяне на въглероден диоксид (CO₂) от атмосферата. Основната проблематика, която проектът засяга, е нарастващата нужда от ефективни и устойчиви методи за улавяне на CO₂ в контекста на глобалните климатични промени и увеличаването на антропогенните въглеродни емисии. Фокусът е в разработването на технологии, които могат да регулират нивата на атмосферен CO₂ независимо от произхода му. Научните хипотези на проекта се фокусират върху потенциала на комбинирането на две технологии за улавяне на CO₂ за създаване на по-ефективна система:

(1) специализирани мембрани (биологични и синтетични) и (2) директно улавяне от въздуха (DAC) .

Научната новост и иновация на проекта се състоят в създаването на изцяло нов 4-стъпков хибрид от директно-улавяща система с мембранно сепарирани камери, които прецизно да улавят и регулират CO₂ нивата. Тази ситема ще се мониторира от прецизни лазер-базирани способи. Въздействието на проекта се очаква да бъде значително, особено в областта на екологията и устойчивото развитие. Успешното реализиране и имплементиране на m-DAC4 би могло да доведе до нови възможности за намаляване на въглеродните емисии и да допринесе за глобалните усилия за борба с климатичните промени.

Очакваните резултати включват не само разработката на ефективна система за улавяне на CO₂, но и разширяването на знанията и технологичните възможности в тази област.

Целите включват разработването на демонстратор за m-DAC4, който работи самостоятелно в реална операционна среда и комбинира биологично и не-биологично CO₂ улавяне с минимален въглероден отпечатък и максимален CO₂-улавящ капацитет. Методите на работа обхващат използването на високотехнологични инструменти и методи, включително фемтосекундни лазери за стимулиране на биологични мембрани и лазерно-базиран мониторинг за качествен анализ. Работният план е разделен на няколко ключови фази: изграждане на системата m-DAC4, интеграция на лазерни технологии за мониторинг и стимулация, обширни тестове за съвместимост и ефективност на мембраните, както и създаването и тестването на демонстратор в реални условия.

• Цел 1: Разработване на хибридна система m-DAC4 с четири степени за енергийно-ефективно улавяне на CO₂ с ниска концентрация;
• Цел 2: Разработване на лазер-базирана система за мониторинг в m-DAC4, която да гарантира точност и надеждност на измерванията на CO₂;
• Цел 3: Успешна интеграция на биологични и не-биологични мембрани в системата m-DAC4, оптимизиране на тяхното взаимодействие и ефективност;
• Цел 4: Разработване на методология за лазерно-индуцирана стимулация на биологичните мембрани в m-DAC4, насочена към повишаване на тяхната активност и улавяне на CO₂;
• Цел 5: Конструиране на демонстратор на m-DAC4, който оперира в неконтролирана среда и улавя атмосферен CO2.
• Изпълнение на проекта

• В рамките на проекта беше разработена и валидирана концепция за модулна каскадна система за директно улавяне и биологично намаляване на CO₂ във въздушен поток. Изследователската работа обхвана конструктивното проектиране на системата, разработването и изпитването на различни мембранни материали, мониторинга на CO₂ и прилагането на лазерни технологии за стимулиране на биологичната активност.

  Основни извършени дейности

• Разработени бяха конструктивни модели и прототипна архитектура на модулната газо-контактна система.
• Извършен беше подбор и експериментално изпитване на синтетични и биологични мембрани, включително клетъчни мембрани с микроводорасли и ензимни мембрани с карбоанхидраза.
• Анализирани бяха съвместимостта, устойчивостта и приложимостта на различните мембранни материали в условия, близки до реалната експлоатационна среда.
• Изследвани бяха различни подходи за мониторинг на CO₂, температурата и относителната влажност (CO₂/T/RH), включително експериментална лазерно-базирана система за измерване на CO₂.
• Проведени бяха фемтосекундни лазерни експерименти с клетъчни биологични мембрани. При определени режими беше наблюдаван положителен ефект върху тяхната CO₂-улавяща активност.

• Ключови технологични решения

  Получените резултати доведоха до оптимизиране на първоначалната концепция и до приемането на няколко основни технологични решения:

   

• опростяване на първоначалната четирикамерна архитектура до двукамерен валидационен подмодел;
• използване на готови CO₂/T/RH сензори за надежден входен и изходен мониторинг;
• приоритизиране на биологичните мембрани поради по-доброто им съответствие с целите на разработваната технология;
• каскадно подреждане на мембранните модули, при което клетъчният модул изпълнява ролята на основен CO₂-улавящ етап, а ензимният модул осигурява доулавяне на остатъчния CO₂;
• използване на сменяеми мембранни касети, които улесняват обслужването, изпитването на различни материали и бъдещото надграждане на системата.

• Постигнат резултат

  Финализиран беше конструктивният дизайн на модулна каскадна газо-контактна система със сменяеми биологично активни мембранни касети. Разработената технология достигна ниво на технологична готовност ТRL 5 – технология, валидирана в релевантна среда.

  Разпространение и технологичен трансфер

  Резултатите от проекта бяха представени и популяризирани чрез:

• участия в три международни научни конференции;
• участие в един международен изложбен форум;
• две научни публикации;

• (https://doi.org/10.3390/ma19132869

  https://doi.org/10.7546/CRABS.2026.07.06)

• полезен модел „Модулна каскадна газо-контактна система за биологично намаляване на въглероден диоксид във въздушен поток“. (https://portal.bpo.bg/bpo-registers/utility-models/view/BG_U_2026_7380)

• Постигнатите резултати създават основа за нови сътрудничества с чуждестранни научни институции, последваща оптимизация и мащабиране на системата, както и за развитие на технологията към бъдещи практически приложения.

Този материал е създаден с финансовата подкрепа на Европейския съюз чрез инструмента „СледващоПоколениеЕС“. Цялата отговорност за съдържанието на документа се носи от Институт по физика на твърдото тяло - БАН и при никакви обстоятелства не може да се приема, че този документ отразява официалното становище на Европейския съюз и Структурата за наблюдение и докладване към Българска академия на науките.

Ръководител на научния колектив: доц. д-р Г. П. Янков

Участници:

доц. д-р Е. Йорданова

гл. ас. д-р В. Атанасова

гл.ас/д-р Г.Маринов

инж.-електроник Р.Стефанов

инженер-електроник Р. Стефанов

Доц. д-р Валентин Михайлов

Георги Маринов