Όταν το πλαστικό πρωτοδημιουργήθηκε, έτυχε θερμότατης υποδοχής: κατά τη διάρκεια της "άνθησης" του πετρελαίου στη δεκαετία του 1950, χημικοί άρχισαν να μετατρέπουν τα απόβλητα από τα διυλιστήρια σε πλαστικό - πλαστικές συσκευασίες, πλαστικά έπιπλα, πλαστικές ίνες υφασμένες σε συνθετικό ύφασμα. Αυτά ήταν θαυματουργά υλικά, χυτεύσιμα και εύκαμπτα, αλλά γερά και με διάρκεια. Από τότε, η ετήσια παγκόσμια παραγωγή πλαστικού έχει εκτοξευθεί στα ύψη: οι άνθρωποι έχουμε δημιουργήσει 8 δισεκατομμύρια τόνους πλαστικού.
Αυτή η έκρηξη έφερε -για να το θέσουμε ελαφρά- προβλήματα. Περισσότερο από το μισό πλαστικό που έχει παραχθεί ποτέ -περίπου 5 δισεκατομμύρια τόνοι- βρίσκεται "αλειμμένο" στην επιφάνεια της Γης. Κάθε μέρα, περισσότεροι από 10.000 τόνοι πλαστικού ξεπλένονται στους ωκεανούς. Η ανθεκτικότητα του πλαστικού, μια από τις ιδιότητες που κάνουν αυτό το υλικό τόσο θαυματουργό, το έχει καταστήσει ισχυρό ρύπο.
Για να είμαστε δίκαιοι, το πλαστικό άλλαξε τον κόσμο. Τόσες πολλές βασικές τεχνολογίες - από μηχανοκίνητα οχήματα μέχρι κινητά τηλέφωνα και υπολογιστές - χρησιμοποιούν πλαστικό. Η μόνωση από αφρό έχει βοηθήσει να γίνουν τα σπίτια 200 φορές πιο ενεργειακά αποδοτικά. Οι πλαστικές μεμβράνες παρατείνουν τη διάρκεια ζωής των ευπαθών τροφίμων.
«Δεν μου αρέσει το πώς οι άνθρωποι δαιμονοποιούν τα πλαστικά, σαν να είναι το πιο κακό πράγμα που έχουμε φτιάξει ποτέ», λέει η Ελευθερία Ρούμελη, φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον και συν-συγγραφέας μιας μελέτης αειφόρων πολυμερών το 2023 στην Ετήσια Επιθεώρηση της Έρευνας Υλικών. «Είναι ένα προϊόν λαμπρής μηχανικής».
Η ίδια πιστεύει ότι, αντί να εγκαταλείψουμε αυτό το υλικό, πρέπει να βρούμε μια καλύτερη, πιο ευγενική εκδοχή του. Πολυμερή με την αντοχή σε εφελκυσμό και την ευκαμψία των σύγχρονων πλαστικών που θα προέρχονται από βιώσιμες βιολογικές πηγές και θα μπορούν να επιστραφούν αποτελεσματικά στο περιβάλλον. Αυτό σημαίνει επανεξέταση της παραγωγής πλαστικών από την αρχή.
Από μονομερές σε πολυμερές
Η τρέχουσα προσέγγιση στην παραγωγή πλαστικών αποτελείται από δύο μεγάλα βήματα: πρώτα μια διάσπαση και μετά μια αναδόμηση.
Η διάσπαση - το «σπάσιμο», όπως είναι γνωστό, που διεξάγεται υπό υψηλή θερμότητα και πίεση - μετατρέπει τα εξευγενισμένα πετρελαϊκά υλικά σε απλά μόρια, γνωστά ως μονομερή. Αυτά γίνονται η ραχοκοκαλιά του προϊόντος που δημιουργείται. Οι αλυσίδες ή τα πλέγματα που προκύπτουν είναι γνωστά ως πολυμερή και χρησιμεύουν ως το βασικό δομικό συστατικό οποιουδήποτε πλαστικού.
Αλλά το πλαστικό δεν έχει γίνει ακόμα. Ακολουθεί η ενσωμάτωση πρόσθετων - χρωστικών και επιβραδυντικών φλόγας και πληρωτικών. Οι επιστήμονες υλικών εξετάζουν μια μεγάλη ποικιλία μεταβλητών, από τη «σκληρότητα» έως τη «δύναμη σχισίματος» έως το «μέτρο εφελκυσμού», που υποδεικνύουν πώς λειτουργεί ένα πλαστικό κάτω από διαφορετικές συνθήκες. Τα πιο σημαντικά πρόσθετα συντονίζουν αυτές τις ιδιότητες, γενικά τροποποιώντας τους δεσμούς μεταξύ των πολυμερών αλυσίδων. Χημικές ουσίες γνωστές ως πλαστικοποιητές, για παράδειγμα, ενσωματώνονται μεταξύ των αλυσίδων, βοηθώντας στην αύξηση της ευελιξίας - αλλά, ως αντιστάθμισμα, καθιστούν το πλαστικό πιο εύκολο να σχιστεί.
Με την ανάμειξη και το ταίριασμα πολυμερών και προσθέτων, οι χημικοί δημιουργούν τα τελικά σύνθετα υλικά που χρησιμοποιούνται σε περιτυλίγματα τροφίμων και μπουκάλια, ως μικροσφαιρίδια στα καλλυντικά, ακόμη και ως εύκαμπτες υδρογέλες που, με τη μορφή φακών επαφής, τοποθετούμε στους κερατοειδείς μας για να βοηθούν την όρασή μας. Μέσω της χημείας, ένα μεμονωμένο πολυμερές όπως το πολυβινυλοχλωρίδιο - ή το PVC, όπως είναι συχνά γνωστό - μπορεί να μετατραπεί σε άκαμπτες σωληνώσεις όμβριων υδάτων ή ρούχα.
Η παραγωγή πλαστικών αντιπροσωπεύει έως και το 8% της παγκόσμιας κατανάλωσης ορυκτών καυσίμων — αριθμός που θα μπορούσε να αυξηθεί, σύμφωνα με μια εκτίμηση, στο 20% έως το 2050.
Όχι απλώς βιοδιασπώμενα, αλλά κομποστοποιήσιμα
Όμως, οι χημικοί δημιουργούσαν «συνθετικά» πλαστικά δεκαετίες πριν η βιομηχανία πετρελαίου απογειωθεί, μεταξύ άλλων από απορρίμματα φλοιών βρώμης και φυτικών ελαίων. Ένα από τα μέτρα για πιο βιώσιμα πλαστικά είναι να επιστρέψουμε σε τέτοιες βιολογικές πηγές.
Το 2006, για παράδειγμα, η βραζιλιάνικη πετροχημική εταιρεία Braskem ξεκίνησε πειράματα, για να δει εάν θα μπορούσαν να μετατρέψουν οικονομικά τη ζάχαρη σε αιθυλένιο, το πιο σημαντικό μονομερές στην παραγωγή πλαστικών εμπορευμάτων. Μέχρι το 2010, η Braskem πουλούσε ένα «πλήρως βιολογικό» πλαστικό πολυαιθυλενίου ή βιο-ΡΕ.
Το μεγάλο πλεονέκτημα αυτού του υλικού είναι ότι το ζαχαροκάλαμο δεσμεύει άνθρακα από την ατμόσφαιρα καθώς μεγαλώνει. Και δεδομένου ότι, δομικά μιλώντας, το bio-PE δεν διακρίνεται από το συνθετικό δίδυμο του, το bio-PE είναι εύκολο να αναπτυχθεί σε εφαρμογές όπως η συσκευασία τροφίμων, τα καλλυντικά και τα παιχνίδια.
Αλλά το ότι είναι χημικά δυσδιάκριτο είναι επίσης ένα πρόβλημα. Δεδομένου ότι το πολυαιθυλένιο δεν εμφανίζεται σε φυσικά περιβάλλοντα, λίγα μικρόβια έχουν αναπτύξει την ικανότητα να σπάζουν τους μοριακούς δεσμούς του. Επομένως, το Bio-PE δεν επιλύει το πρόβλημα των απορριμμάτων. Εν ολίγοις, επειδή κάτι είναι «βιοπλαστικό», δεν σημαίνει ότι είναι εγγενώς βιώσιμο...
«Κανένας από αυτούς τους όρους δεν είναι επαρκώς ρυθμισμένος ή με νόημα, γεγονός που προκαλεί μεγάλη σύγχυση», λέει η Ρέιτσελ Μέιντλ, συνεργάτης στον τομέα ενέργειας και βιωσιμότητας στο Ινστιτούτο Baker του Πανεπιστημίου Rice.
Η Μέιντλ κατηγοριοποιεί τα πλαστικά και τα πιθανά υποκατάστατά τους ως υπάρχοντα σε τέσσερα τεταρτημόρια. Ένας άξονας απεικονίζει την πηγή των υλικών: Μερικά είναι «βιοβασισμένα», προερχόμενα από βιολογικά υλικά, ενώ άλλα είναι βασισμένα στο πετρέλαιο. Ο άλλος άξονας χαρτογραφεί τη "μοίρα" των υλικών κατά την απόρριψή τους: Κάποια υλικά είναι βιοδιασπώμενα και άλλα όχι.
Αλλά, ακόμη και ένα υλικό που υπάγεται στο καλύτερο από αυτά τα τεταρτημόρια —τόσο σε ότι αφορά τη βάση του, όσο και το αν είναι βιοαποικοδομήσιμο— δεν είναι απαραίτητα πανάκεια. Το να είναι βιοδιασπώμενο σημαίνει απλώς ότι ένα υλικό μπορεί να διασπαστεί από μικρόβια, ακόμα κι αν το αποτέλεσμα είναι μικρά κομμάτια μικροπλαστικών.
Τα ιδανικά υλικά δεν είναι μόνο βιοδιασπώμενα, αλλά και κομποστοποιήσιμα — μια στενότερη κατηγορία που υποδηλώνει ότι το υλικό μπορεί να διασπαστεί σε οργανικά συστατικά, αβλαβή για τα φυτά και τα ζώα.
Η κομποστοποίηση, δυστυχώς, δεν επιτυγχάνεται εύκολα. Σχεδόν σίγουρα έχετε συναντήσει πολυγαλακτικό οξύ, ή PLA, με τη μορφή κομποστοποιήσιμων μαχαιροπήρουνων και δοχείων. Το πιο κοινό πλαστικό με βιολογική βάση, το PLA είναι τεχνικά κομποστοποιήσιμο, αλλά προς το παρόν -στο εξωτερικό- τα παίρνουν μόνο συγκεκριμένων προδιαγραφών βιομηχανικές εγκαταστάσεις, που δεν είναι ακόμα αρκετές σε αριθμό. Δεδομένου ότι τα περισσότερα από τα σημερινά δοχεία λήψης PLA απορρίπτονται μαζί με υπολείμματα φαγητού, οι κομποστοποιητές πρέπει να χάνουν χρόνο για να τα ξεχωρίσουν.
Ένας τρόπος βελτίωσης των πλαστικών μπορεί να είναι η αναζήτηση καλύτερων μονομερών βιολογικής προέλευσης. Το 2020, μια ομάδα επιστημόνων στην Καλιφόρνια ανέφερε ότι είχαν απομονώσει έναν τύπο μονομερούς που ονομάζεται πολυόλη, από έλαια που παράγονται από φύκια και στη συνέχεια το συναρμολόγησαν ξανά σε ένα πλαστικό που μοιάζει με αφρό, που θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί σε εμπορικά υποδήματα. Το υλικό αφομοιώνεται αποτελεσματικά όταν τοποθετείται στο έδαφος.
Ορισμένοι επιστήμονες, ωστόσο, πιστεύουν ότι μια καλύτερη επιλογή είναι να αφήσουν πίσω την τυπική ενεργοβόρα διαδικασία δύο σταδίων της διάσπασης σε μονομερή και στη συνέχεια της δημιουργίας αντιγράφων ασφαλείας. Η φύση ήδη προμηθεύει πολλά υποσχόμενα κομποστοποιήσιμα πολυμερή, λέει ο Ντέιβιντ Κάπλαν, βιοϊατρικός μηχανικός στο Πανεπιστήμιο Tufts. Και επειδή βιοδιαλύονται σε διαφορετικές χρονικές κλίμακες, εάν επιλέξετε το σωστό πολυμερές ή το συντονίσετε σωστά, μπορείτε να δημιουργήσετε υλικά που να ταιριάζουν σε ποικίλες εφαρμογές.
Σκεφτείτε την κυτταρίνη, το πιο κοινό βιολογικό πολυμερές, που υπάρχει στα κυτταρικά τοιχώματα των φυτών. Είναι ουσιαστικά μια αλυσίδα μορίων σακχάρου, αλλά αυτές οι αλυσίδες συναρμολογούνται σε μικροσκοπικά νήματα που ονομάζονται νανοϊνίδια, τα οποία δεσμεύονται σε μικροΐνες και στη συνέχεια στις μεγάλες ίνες που είναι ορατές, όπως οι χορδώδεις κλώνοι στο σέλινο, για παράδειγμα. Οι επιστήμονες υλικών το αποκαλούν ιεραρχική δομή.
Τα συνθετικά πολυμερή, αντίθετα, τυπικά συμπιέζονται σε μια χοάνη και εξωθούνται σε μια ομοιογενή σφαίρα. Το αποτέλεσμα είναι «ισχυροί, σκληροί δεσμοί» μεταξύ των μορίων, λέει ο Κάπλαν. «Η βιολογία δεν κάνει πολλά από αυτά». Αντίθετα, τα βιοπολυμερή διαθέτουν πολύ ασθενέστερους δεσμούς - τυπικά ηλεκτροστατικές αλληλεπιδράσεις που συνδέουν τα άτομα υδρογόνου σε ένα πολυμερικό μόριο με αυτά σε ένα άλλο, αλλά σε πολύ υψηλές πυκνότητες.
Αλλά με την καλύτερη κατανόηση αυτών των δομών, οι μηχανικοί θα είναι σε θέση να βελτιώσουν τα βιολογικά υλικά. Η έρευνα έχει δείξει, για παράδειγμα, ότι όσο πιο λεπτή είναι μια ίνα κυτταρίνης, τόσο μεγαλύτερη είναι η αντοχή σε εφελκυσμό, πράγμα που σημαίνει ότι το υλικό αντιστέκεται στο σπάσιμο υπό πίεση. Η αυξημένη επιφάνεια σημαίνει ότι τα άτομα υδρογόνου είναι καλύτερα τοποθετημένα, ώστε να δημιουργούν δυναμικά και να σπάζουν δεσμούς μεταξύ γειτονικών αλυσίδων.
Καθ' οδόν για τα κύτταρα
Αν εγκαταλείψουμε τα μονομερή - χαράσσοντας ένα ολόκληρο βήμα στη διαδικασία παραγωγής πλαστικών - γιατί να μην προχωρήσουμε περισσότερο; Ορισμένοι επιστήμονες υλικών επιδιώκουν αυτό που ο Κάπλαν αποκαλεί «σχεδιασμό από κάτω προς τα πάνω»: Αντί να απομονώνουν και να ξαναφτιάχνουν μεμονωμένα βιοπολυμερή, χρησιμοποιούν ό,τι έχει παράσχει η φύση — δημιουργώντας βιοπλαστικά υλικά από ολόκληρα κύτταρα ή άλλα βιολογικά υλικά, χωρίς σπάσιμο και εκχύλιση.
Η Ελευθερία Ρούμελη, για παράδειγμα, θεωρεί πολλά υποσχόμενα τα κύτταρα φυκιών. Είναι μικρά και επομένως εύκολα διαχειρίσιμα, περιέχουν μεγάλες ποσότητες πρωτεϊνών, που είναι βιολογικά πολυμερή, μαζί με άλλα χρήσιμα υλικά. Αυτή και οι μαθητές της πήραν φύκια σε σκόνη και τα πέρασαν από ένα ζεστό πιεστήριο. Μετά από αρκετές δοκιμές, στις οποίες διαφοροποίησαν το χρόνο συμπίεσης, τη θερμοκρασία και την ποσότητα πίεσης που εφαρμόστηκε - όλα αυτά επηρεάζουν τον τρόπο σύνδεσης των μορίων - βρήκαν ότι μπορούσαν να παράγουν ένα υλικό που ήταν ισχυρότερο από πολλά πλαστικά εμπορευμάτων.
Το υλικό ήταν επίσης ανακυκλώσιμο: Θα μπορούσε να αλεσθεί ξανά σε σκόνη και να πιεστεί ξανά. (Οι δοκιμές έδειξαν ότι το υλικό έχανε κάποια αντοχή με κάθε γενιά ανακύκλωσης, κάτι που συμβαίνει και με τα συνθετικά πλαστικά.) Εάν πεταχτεί απρόσεκτα στα σκουπίδια, το υλικό θα διαλυθεί με τον ίδιο ρυθμό, όπως μια φλούδα μπανάνας .
Ο Κάπλαν έχει πραγματοποιήσει παρόμοια εργασία με μετάξι, το οποίο θεωρούταν πολύ εύθραυστο για να υποστεί θερμική επεξεργασία. Η σκέψη ήταν ότι οι δεσμοί υδρογόνου θα διασπώνταν υπό τη θερμότητα και το μετάξι απλά θα καιγόταν. Αλλά σε μία εργασία του 2020, ο Κάπλαν και οι συνεργάτες του απέδειξαν ότι τα σφαιρίδια από μετάξι θα μπορούσαν να διαμορφωθούν, όπως το πλαστικό, σε ένα συντονιζόμενο υλικό. Από τότε, ανακάλυψε ότι ολόκληρα κουκούλια μπορούν να υποστούν επεξεργασία με αυτόν τον τρόπο.
Τέτοια υλικά είναι win-win, λέει η Ρούμελη. Είναι ανανεώσιμα και δεν περιέχουν ορυκτά καύσιμα και μπορούν ακόμη και να απορροφούν τον ατμοσφαιρικό άνθρακα καθώς μεγαλώνουν. Θα μπορούσαν να βιοδιασπαστούν πλήρως.
Τα... οικονομικά και η αποδοχή
«Στο μόνο πράγμα που δεν κερδίζουν είναι τα οικονομικά — και η επεκτασιμότητα», λέει. Εδώ είναι ίσως το μεγαλύτερο πρόβλημα με αυτή τη νέα προσέγγιση στα πλαστικά: Η ριζοσπαστική φύση του σημαίνει ότι θα είναι ακριβό, τουλάχιστον προς το παρόν. Για να γίνει ένα προϊόν φθηνό, πρέπει να παράγεται σε ήδη υπάρχουσες εγκαταστάσεις, καθώς αυτό βοηθά μια startup να αποφύγει σημαντικό κόστος κεφαλαίου. Αλλά οι ιδιοκτήτες αυτών των εγκαταστάσεων είναι πιθανό να δουν τα βιολογικά, σύνθετα υλικά ως πολύ ακάθαρτα - ως «σκουπίδια», λέει ο Γκαντί Ρόθενμπεργκ, χημικός στο Ινστιτούτο Μοριακών Επιστημών Van 't Hoff του Πανεπιστημίου του Άμστερνταμ.
Ο Ρόθενμπεργκ σημειώνει ότι, στην πρώτη ύλη που χρησιμοποιείται για την παραγωγή τερεφθαλικού πολυαιθυλενίου, το πλαστικό που χρησιμοποιείται κυρίως στα μπουκάλια, μόνο ένα μόριο στα 100.000 είναι κάθε άλλο παρά το επιθυμητό μονομερές. Τα βιολογικά υλικά σπάνια είναι τόσο αγνά. Οι κατασκευαστές μπορεί επίσης απλώς να προτιμούν να πάνε με το δοκιμασμένο και όχι το απροσδόκητο.
Ο Ρόθενμπεργκ ανέπτυξε το δικό του, φυτικής προέλευσης βιώσιμο πολυμερές, το οποίο υπολόγισε ότι ήταν αρκετά κοντά στα τυπικά υλικά ώστε να είναι μια εύκολη, «αποκλειστική» επιλογή για την παραγωγή επίπλων. Αλλά όταν το πήγε για πρώτη φορά σε εταιρείες, «στην αρχή, δεν ήθελαν καν να το ακούσουν», λέει. Ακόμη και το bio-PE, το προϊόν με βάση το ζαχαροκάλαμο που είναι χημικά πανομοιότυπο με το συνθετικό συγγενικό του, κοστίζει έως και 30% περισσότερο για την κατασκευή, σύμφωνα με ορισμένα στοιχεία και έτσι οι εταιρείες που ανησυχούν για το τελικό αποτέλεσμα θα... παραμείνουν με το κατεστημένο.
Σήμερα, τα πλαστικά με βιολογική βάση αποτελούν λιγότερο από το 1% της τρέχουσας αγοράς, σύμφωνα με την εμπορική ένωση Plastics Europe. Η ώθηση για τα πολυμερή με βιολογική βάση «δεν πρόκειται να πάει πουθενά, μέχρι να φτάσει στο ίδιο επίπεδο με τα πιο οικονομικά», λέει ο Ρόθενμπεργκ.
Προχωράμε αργά, αλλά... δεν έχουμε χρόνο
Τελικά, προβλέπει ο ίδιος, οι κυβερνήσεις θα πρέπει να αναγνωρίσουν το πραγματικό, πλήρες κόστος του παραδοσιακού πλαστικού - το αποτύπωμα άνθρακα του και τα έξοδα που συνδέονται με τον καθαρισμό της ρύπανσης - προτού έρθουν στο προσκήνιο πιο βιώσιμα υλικά.
Ωστόσο, οι επιστήμονες στην πρώτη γραμμή των βιώσιμων πλαστικών είναι αισιόδοξοι. Η Ρούμελη σημειώνει ότι το συνθετικό πολυαιθυλένιο — «το φθηνότερο και πιο παραγόμενο και πιο καταναλωτικό πλαστικό που έχουμε σήμερα» — ήταν κάποτε μια καινοτομία. Ο Κάπλαν λέει ότι δεν έχει καμία αμφιβολία ότι μια μέρα, «όλοι αυτοί οι πρόδρομοι και τα πολυμερή θα κατασκευάζονται βιολογικά ή έχοντας κατά νου την αληθινή κυκλικότητα». «Αλλά δεν είμαστε ακόμα εκεί», προσθέτει.
Το πρόβλημα είναι ότι με τη συσσώρευση πλαστικών απορριμμάτων και την αύξηση της θερμοκρασίας, μπορεί να μην έχουμε πολύ χρόνο.
