Химики выяснили, что автономная работа кораблей-мусорщиков на топливе из переработанного пластика выгоднее, чем транспортировка пластикового мусора на берег. По данным компьютерного моделирования, с помощью гидротермального сжижения из собранного пластика можно получить почти в шесть раз больше топлива, чем необходимо для работы корабля, пишут ученые в Proceedings of the National Academy of Sciences.

По оценкам ученых, каждый год в океан попадает от 4,8 до 12,7 миллиона тонн пластика, который распределяется по его поверхности и накапливается в толще воды. Масштаб загрязнения океана можно оценить по большому тихоокеанскому мусорному пятну. Точный размер пятна неизвестен, приблизительные оценки площади варьируются от 700 тысяч до полутора миллионов квадратных километров. Это равно примерно половине площади Республики Саха — самого большого региона России.

Современный подход к удалению пластика из открытого океана включает в себя использование корабля и специальных конструкций из боновых заграждений. Собранный пластик хранится на борту, до тех пор, пока корабль не вернется в порт для выгрузки мусора, дозаправки и пополнения запасов. По приблизительным оценкам, для полного удаления пластика из тихоокеанского региона таким методом потребуется от 50 до 130 лет работы, с ежегодными затратами в 36,2 миллиона долларов.

Альтернативой может быть переработка мусора непосредственно на борту корабля. Из пластика можно получать энергию, при этом сокращая потребление углеводородного топлива. Например, с помощью гидротермального сжижения (hydrothermal liquefacton, HTL). При таком подходе пластмассу деполимеризуют при высокой температуре (от 300 до 550 градусов Цельсия) и высоком давлении (от 250 до 300 атмосфер).

(A) Схема сбора и переработки пластика большого мусорного пятна. (B) Часть системы боновых заграждений. © Одиночная боновая система. (D) Реактор гидротермального сжижения. Kite-Powell H. et al./Proceedings of the National Academy of Sciences, 2021

Ученые под руководством Майкла Тимко (Michael Timko) из Вустерского политехнического института решили рассчитать, насколько эффективны будут корабли с установками гидротермального сжижения. Авторы работы отмечают, что такой подход будет возможен, только если объем топлива, производимый из пластика, обеспечит процесс сбора мусора и работу двигателей корабля. Также важно, чтобы скорость производства топлива была не ниже скорости сбора пластика, чтобы судно не останавливалось для переработки пластика.

Чтобы оценить эффективность предложенной идеи, ученые с помощью метода Монте-Карло смоделировали ситуации сбора пластика в большом тихоокеанском мусорном пятне кораблем, который работает автономно, преобразуя пластик в топливо. Эффективность переработки пластика ученые оценивали именно для установки гидротермального сжижения, так как выход топлива при таком методе составляет 90 процентов и, в отличие от других методов, выход побочных продуктов, которые необходимо хранить или сжигать, составляет менее пяти процентов.

Результаты моделирования показали, что за один год автономный корабль сможет собрать и переработать 11500 тонн пластика, в местах наибольшей плотности тихоокеанского мусорного пятна. По расчетам, полученного пластика хватит на производство такого количества топлива, которое в 5,8 раз превышает норму, необходимую для поддержания работы корабля.

По словам ученых, за счет превращения пластика в топливо уменьшатся заторы в портах и снизится вероятность разлива нефти на берегу. Кроме того, топливо, полученное из пластмассы при сгорании, в отличие от нефтяного, не выделяет диоксид серы, который сильно загрязняет атмосферу.

Авторы работы отмечают, что для воплощения этой модели, необходимо дальнейшее изучение пригодности топлива на основе пластика для существующих систем подачи топлива и двигателей, расчет рисков, таких как разлив топлива в океан и проведение реальных экспериментов.