ما العوائق التي تقف في وجه تطوير البلاستيك المستدام؟ وكيف نتغلب عليها؟

أشاد الكثيرون بهذا الحدث على أنه إنجاز رائع؛ إذ بدأ علماء الكيمياء خلال فترة الازدهار الاقتصادي النفطي في خمسينيات القرن الماضي بتحويل نفايات المصافي إلى مواد بلاستيكية، من العبوات البلاستيكية والأثاث البلاستيكي إلى ألياف البلاستيك المنسوجة في الأقمشة الاصطناعية. كانت هذه المواد عجيبة؛ إذ إنها قابلة للتشكيل ومطواعة ولكنها قوية وذات عمر طويل. ارتفع الإنتاج العالمي السنوي من البلاستيك ارتفاعاً كبيراً في العقود التي تلت ذلك؛ إذ أنتج البشر 8 مليارات طن متري من البلاستيك.

لكن هذا الارتفاع الكبير ترافق بمشكلات، على أقل تقدير؛ إذ انتشر أكثر من نصف كمية البلاستيك المنتجة على الإطلاق، أي نحو 5 مليارات طن متري، عبر سطح الأرض ولوثّه. ويصل أكثر من 10 آلاف طن متري من البلاستيك إلى المحيطات يومياً. البلاستيك مادة ملوثة للغاية بسبب قدرتها على التحمل، وهي من الخصائص التي تجعلها أعجوبية لهذه الدرجة.

ولكن لنكن منصفين تجاه المروجين الأوائل لهذه المادة، لا شك في أن البلاستيك غيّر العالم. يعتمد الكثير من التكنولوجيات الأساسية على البلاستيك، من السيارات إلى الهواتف المحمولة إلى أجهزة الكمبيوتر. جعلت المواد العازلة الرغوية المنازل أكثر كفاءة في استهلاك الطاقة بـ 200 مرة. وتساعد الأغلفة البلاستيكية على إطالة مدة صلاحية الأطعمة القابلة للتلف.

تقول عالمة الفيزياء في جامعة واشنطن والمؤلفة المشاركة لدراسة حول البوليمرات المستدامة نُشِرت في مجلة المراجعة السنوية لأبحاث المواد (Annual Review of Materials Research) في عام 2023، إليفثيريّا روميلي: "لا يروقني كيف يشيطن الناس البلاستيك كما لو أنه أكثر المواد التي صنعها البشر شرّاً. البلاستيك هو نتيجة لتطبيق آليات هندسية مذهلة".

تعتقد روميلي أنه بدلاً من التخلي عن هذه المواد، يجب علينا تطوير نسخة أفضل وأقل تلويثاً منها، أي بوليمرات تتمتع بقوة شد البلاستيك الحديث ومرونته وتكون مشتقة من مصادر بيولوجية مستدامة ويمكن إعادتها إلى البيئة بفاعلية.

يعني ذلك إعادة النظر في عملية إنتاج البلاستيك من الصفر.

اقرأ أيضاً: لأول مرة: إيجاد صلة بين الجزيئات البلاستيكية النانوية وصحة الإنسان

من المونوميرات إلى البوليمرات

يتألف النهج المتبع حالياً لإنتاج البلاستيك من خطوتين أساسيتين، عملية التفكيك ثم عملية إعادة تجميعها.

تُحوّل المواد البترولية المكررة إلى جزيئات بسيطة تحمل اسم المونوميرات في عملية التفكيك، التي تعرف أيضاً باسم "عملية التكسير" وتُجرى تحت درجة حرارة وضغط مرتفعين. هذه المواد هي أساس المنتجات التي يعاد بناؤها في الخطوة التالية. تحمل السلاسل أو الشبكات الناتجة اسم "البوليمرات"، وهي المكون البنيوي الأساسي لأي نوع من البلاستيك.

لكن لا تقتصر عملية إنتاج البلاستيك على هاتين الخطوتين؛ تبدأ بعد ذلك مرحلة إدخال المواد المضافة، مثل المواد الملوِّنة ومثبطات اللهب والمواد المالئة. يأخذ علماء المواد في الاعتبار مجموعة واسعة من المتغيرات التي تشير إلى أداء البلاستيك عند التعرض لأنواع مختلفة من الضغوط، من الصلابة إلى مقاومة التمزق إلى معامل الشد (أو معامل يونغ). تساعد أهم المواد المضافة على ضبط هذه الخصائص، عموماً من خلال تعديل الروابط بين سلاسل البوليمر. على سبيل المثال، تُدخل المواد الكيميائية التي تحمل اسم "الملدّنات" نفسها بين السلاسل، ما يعزز مرونة البلاستيك ولكن يقلل مقاومته للتمزق في الوقت نفسه.

يصنع الكيميائيون من خلال المزج بين البوليمرات والمواد المضافة المختلفة المواد المركّبة النهائية التي تُستخدم في صناعة أغلفة الطعام وعبوات المشروبات الغازية والكريّات المجهرية المستخدمة في مستحضرات التجميل، فضلاً عن الهلاميات المائية المرنة التي نستخدمها في شكل عدسات لاصقة لتحسين أبصارنا. يمكن بتطبيق التفاعلات الكيميائية تحويل بوليمر واحد مثل كلوريد البوليفينيل (بي في سي) إلى ملابس أو أنابيب مياه العواصف الصلبة.

تصل نسبة استهلاك الوقود الأحفوري في قطاع البلاستيك إلى 8% من الاستهلاك العالمي، ووفقاً لأحد التقديرات، قد ترتفع هذه النسبة إلى 20% بحلول عام 2050. لكن علماء الكيمياء كانوا يصنعون البلاستيك "الاصطناعي" من بقايا قشور الشوفان والزيوت النباتية وغيرها من المواد قبل عقود من صعود قطاع النفط. والعودة إلى هذه المصادر البيولوجية هي إحدى الطرق التي قد نتمكن وفقها من تطوير مواد بلاستيكية أكثر استدامة.

اقرأ أيضاً: هل يمكن أن يضر التشجير الاصطناعي بالبيئة؟

في عام 2006 على سبيل المثال، أجرت شركة براسكم Braskem البرازيلية للبتروكيماويات تجارب لتحديد إن كان بالإمكان تحويل السكر إلى الإيثيلين على نحو مجدٍ اقتصادياً، وهو أهم مونومير في إنتاج بضائع البلاستيك. وبدأت الشركة ببيع بلاستيك متعدد الإيثيلين (البولي إيثيلين) "البيولوجي بالكامل" بحلول عام 2010.

أهم ميزة لهذه المادة هي أن قصب السكر يعزل الكربون من الغلاف الجوي في أثناء نموّه. بما أن متعدد الإيثيلين البيولوجي لا يختلف عن نظيره الاصطناعي من الناحية البنيوية، كان استخدامه في تطبيقات مثل أغلفة المواد الغذائية ومستحضرات التجميل وألعاب الأطفال سهلاً.

لكن عدم الاختلاف بين المادتين من الناحية الكيميائية يمثّل مشكلة أيضاً. لم يطور سوى عدد قليل من الميكروبات القدرة على تفكيك روابط متعدد الإيثيلين الجزيئية، وذلك لأن هذه المادة لا توجد في البيئات الطبيعية، بالتالي، فهو لا يحل مشكلة النفايات. بعبارة أخرى، ليست المواد البلاستيكية البيولوجية جميعها مستدامة بطبيعتها.

تقول الزميلة الباحثة في الطاقة والاستدامة في معهد بيكر في جامعة رايس، ريتشل مايدل: "لم يخضع أي من هذه المصطلحات لقوانين تنظيمية ولم يُعرّف على نحو هادف بما يكفي، ما يتسبب بالكثير من الالتباس".

تصنّف ميدل المواد البلاستيكية وبدائلها المحتملة من خلال توزيعها في 4 أرباع. يشير المحور الأول إلى مصدر المواد؛ إذ إن بعض هذه المصادر "بيولوجي"، أي مستخلص من مواد بيولوجية، بينما يعتمد بعضها الآخر على البترول. يحدد المحور الثاني المصير النهائي للمواد؛ إذ إن بعض المواد قابل للتحلل الحيوي وبعضها الآخر ليس كذلك. لكن حتى المواد التي تقع في أفضل هذه الأرباع، أي المواد البيولوجية القابلة للتحلل الحيوي، لا تمثّل حلاً شاملاً بالضرورة. معنى "قابل للتحلل الحيوي" هو أن المادة يمكن أن تتحلل بفعل الميكروبات، حتى لو كانت نواتج التحلّل قطعاً صغيرة من البلاستيك الدقيق. المواد المثالية ليست فقط قابلة للتحلل الحيوي، بل قابلة للتسميد أيضاً، وهي فئة أضيق يمكن أن تتحلل المواد التي تنتمي إليها إلى مكونات عضوية غير ضارة بالنباتات والحيوانات.

للأسف، تحويل المواد إلى مواد قابلة للتسميد ليس سهلاً. على الأرجح أنك تعرف مادة متعدد حمض اللبنيك (أو متعدد حمض اللاكتيك) التي تُصنع منها أدوات المائدة وحاويات الوجبات السريعة القابلة للتسميد. هذه المادة هي أكثر أنواع البلاستيك البيولوجي شيوعاً، وهي قابلة للتسميد من الناحية الفنية ولكن لا يمكن إنتاجها في ظل ظروف محددة إلا في منشآت صناعية ما يزال عددها أقل من اللازم. يضطر القائمون على التسميد لإضاعة الوقت في فرز حاويات الوجبات السريعة المصنوعة من متعدد حمض اللبنيك وبقايا الطعام لأن أغلبية هذه الحاويات تُرمى مع نفايات الطعام.

قد تتمثّل إحدى طرق تعزيز استدامة البلاستيك في البحث عن مونوميرات أكثر كفاءة وذات مصادر بيولوجية. أفاد علماء من ولاية كاليفورنيا في عام 2020 بأنهم عزلوا نوعاً من المونوميرات يحمل اسم البوليول من الزيوت المنتجة من الطحالب، ثم أعادوا تجميعه على شكل مادة بلاستيكية تشبه الرغوة يمكن استخدامها في صنع الأحذية التجارية. تحللت هذه المادة بفاعلية عند وضعها في التربة.

مع ذلك، يعتقد بعض العلماء أن الخيار الأفضل هو التخلي عن العملية القياسية التي تتألف من خطوتين وتستهلك كمية كبيرة من الطاقة، التفكيك إلى مونوميرات ثم إعادة تجميعها. يقول مهندس الطب الحيوي في جامعة تافتس، ديفيد كابلان، إن الطبيعة تحتوي على بوليمرات واعدة وقابلة للتسميد بالفعل، وإذا اخترنا البوليمر المناسب أو ضبطناه على النحو السليم، يمكننا تطوير مواد مناسبة للعديد من التطبيقات، وذلك لأن هذه المواد تتحلل خلال فترات زمنية مختلفة.

خذ السليلوز مثالاً، وهو البوليمر البيولوجي الأكثر شيوعاً الذي يوجد في جدران خلايا النباتات. هذا البوليمر في الأساس هو سلسلة من جزيئات السكر، لكن هذه السلاسل تتجمع مشكّلة خيوطاً صغيرة تحمل اسم "اللييفات النانوية"، التي تتجمع بدورها مشكّلة أليافاً دقيقة تتجمع أيضاً مشكّلة أليافاً كبيرة مرئية، مثل الخيوط الليفية في الكرفس. يُطلق علماء المواد على هذه البنية اسم البنية الهرمية.

على النقيض من ذلك، تُضغط البوليمرات الاصطناعية عادة في أوعية قمعية وتُطلق على شكل كرات متجانسة. يقول كابلان إن نتيجة ذلك هي تشكيل "روابط قوية وصلبة" بين الجزيئات، وإن "العمليات البيولوجية لا تؤدي إلى تشكيل مثل هذه المواد بكثرة". بدلاً من ذلك، تتمتّع البوليمرات البيولوجية بروابط أضعف بكثير، وهي تتشكل عادة بفعل تفاعلات كهربائية ساكنة تربط ذرات الهيدروجين من جزيئين بوليمريين ولكن بكثافات عالية للغاية.

لكن المهندسين سيتمكنون من تعزيز كفاءة المواد البيولوجية من خلال فهم هذه الهياكل بعمق أكبر. على سبيل المثال، بيّنت الأبحاث أن قوة الشد تزداد كلما كانت ألياف السليلوز أرق، ما يعني أن المادة تقاوم الانكسار تحت تأثير الشد أكثر. تعني زيادة مساحة السطح أن ذرات الهيدروجين توجد في مواقع أفضل لتشكيل روابط بين السلاسل المتجاورة وتفكيكها ديناميكياً.

اللجوء للخلايا مباشرة

ما المانع في أخذ خطوة إضافية بعد التخلي عن المونوميرات، أي إلغاء خطوة كاملة في عملية إنتاج البلاستيك؟ يحقق بعض علماء المواد فيما يسميه كابلان "التصميم الصعودي"؛ إذ يستخدم هؤلاء ما وفرته الطبيعة بدلاً من عزل البوليمرات البيولوجية المنفردة وإعادة تصنيعها، ويصنعون موادَّ بلاستيكية بيولوجية من خلايا كاملة أو موادَّ بيولوجية أخرى دون الحاجة إلى التفكيك والاستخراج.

على سبيل المثال، تحاول روميلي الاستفادة من الخلايا الطحلبية الواعدة. هذه الخلايا صغيرة الحجم، ما يعني أنه يمكن التلاعب بها بسهولة، كما أنها تحتوي على كميات كبيرة من البروتينات، وهي بوليمرات بيولوجية، بالإضافة إلى مواد أخرى مفيدة. مرّرت روميلي وطلابها الطحالب المطحونة عبر مكبس حار، وبعد عدة تجارب غيّر فيها الباحثون مدة الكبس ودرجة الحرارة ومقدار الضغط المطبق، وهي عوامل تؤثّر في طريقة ترابط الجزيئات، لاحظوا أنهم يستطيعون إنتاج مادة أقوى من العديد البضائع البلاستيكية.

كانت هذه المادة قابلة لإعادة التدوير أيضاً؛ إذ يمكن طحنها وكبسها مجدداً. (بيّنت الاختبارات أن المادة فقدت جزءاً من قوتها بعد كل عملية إعادة تدوير، وينطبق ذلك أيضاً على البلاستيك الاصطناعي). تتفكك هذه المادة في التربة بمعدل يساوي معدل تفكك قشر الموز.

أجرى كابلان تجارب مشابهة على الحرير، الذي افترض العلماء منذ زمن أنه سريع العطب لدرجة أنه لا يتحمّل المعالجة الحرارية. يعتمد هذا الافتراض على أن الروابط الهيدروجينية ستتفكك تحت تأثير الحرارة والحرير سيحترق ببساطة. لكن بيّن كابلان وزملاؤه في ورقة بحثية نُشرت عام 2020 أنه بالإمكان تشكيل مادة ذات خواص قابلة للضبط من كريات الحرير، كما يحدث باستخدام البلاستيك. منذ ذلك الحين، اكتشف كابلان أنه بالإمكان معالجة شرانق كاملة بهذه الطريقة.

تقول روميلي إن هذه المواد مفيدة من النواحي جميعها؛ إذ إنها متجددة ولا يتطلب إنتاجها استهلاك الوقود الأحفوري، كما أنها قادرة على امتصاص الكربون في الغلاف الجوي في أثناء نموها، فضلاً عن أنها قابلة للتحلل الحيوي بالكامل. تقول روميلي: "المشكلة الوحيدة هي الجانب الاقتصادي وقابلية التوسّع".

ربما هذه هي المشكلة الأكبر فيما يتعلق بهذا النهج الجديد لإنتاج البلاستيك؛ إذ إن طبيعته الجذرية ستجعله مكلفاً، على الأقل ضمن الشروط الحالية. يجب أن يُصنع المنتج في منشآت موجودة بالفعل لتنخفض تكلفة إنتاجه، وذلك لأن هذا يساعد الشركة الناشئة على تجنّب تكاليف رأس المال الكبيرة. يقول عالم الكيمياء في معهد فانت هوف للعلوم الجزيئية في جامعة أمستردام، غادي روثنبرغ، إن أصحاب تلك المنشآت قد يعتقدون أن المركّبات البيولوجية غير نقية للغاية، أي أنها "خردة".

يشير روثنبرغ إلى أن نسبة جزيئات المونوميرات غير المطلوبة إلى تلك المطلوبة في المادة الأولية المستخدمة لإنتاج بولي إيثيلين تيرفتالات، البلاستيك المستخدم لصناعة عبوات المشروبات الغازية، تساوي جزيئاً واحدة من أصل 100 ألف جزيء. لا تتمتّع المواد البيولوجية بنقاء مرتفع لهذه الدرجة إلا نادراً.

قد تفضّل الشركات المصنّعة أيضاً اتباع طرق الإنتاج المجرّبة والمثبتة بدلاً من الطرق الجديد ذات النتائج غير المتوقعة. طوّر روثنبرغ نوعاً نباتياً مستداماً من البوليمرات بنفسه، ويعتقد أن هذا البوليمر شبيه بالمواد القياسية لدرجة أنه يمثّل بديلاً سهل الاستخدام في إنتاج الأثاث. لكن عندما اقترح المادة على الشركات، "لم ترغب هذه الأخيرة بالاطلاع عليها حتى في البداية"، حسب تعبيره. حتى متعدد الإيثيلين البيولوجي، وهو منتج معتمد على قصب السكر ومطابق كيميائياً لنظيره الاصطناعي، يكلّف أكثر بنحو 30% في عملية التصنيع وفقاً لبعض التقديرات، ما يعني أن الشركات التي يهمّها صافي الأرباح لن تستبدل المواد المعتمدة حالياً.

وفقاً لرابطة بلاستيكس يوروب التجارية (Plastics Europe)، يمثّل البلاستيك البيولوجي أقل من 1% من السوق حالياً. يقول روثنبرغ إن الجهود الهادفة لاعتماد البوليمرات البيولوجية "لن تُثمر حتى تُحلّ مشكلة الجانب الاقتصادي". ويتوقع أنه في نهاية المطاف، يجب أن تدرك الحكومات التكلفة الحقيقية الكاملة لإنتاج البلاستيك التقليدي، أي بصمته الكربونية والنفقات التي تنطوي على إزالة التلوث الناجم عنه، لتُعتمد المواد الأكثر استدامة.

اقرأ أيضاً: ما مدى خطورة كبسولات الغسل المنظفة على البيئة؟

مع ذلك، العلماء في طليعة هذه الجهود يشعرون بالتفاؤل. تشير روميلي إلى أن متعدد الإيثيلين الاصطناعي، "وهو أقل أنواع البلاستيك تكلفة وأكثرها إنتاجاً واستهلاكاً في العالم اليوم"، كان ابتكاراً جديداً يوماً ما. يقول كابلان إنه متأكد أن "هذه السلائف الكيميائية والبوليمرات ستُصنع بيولوجياً أو مع أخذ الدمج الفعلي في الاقتصاد الدائري في الاعتبار" يوماً ما،

ويُضيف قائلاً: "لكن لم نصل إلى هذه المرحلة بعد". المشكلة هي أنه قد لا يكون لدينا الكثير من الوقت مع تراكم النفايات البلاستيكية وارتفاع درجات الحرارة.