Viena cilvēka divu desmitgažu centieni izsūkt siltumnīcefekta gāzi no debesīm

Lielais metāla konteiners Klausa Laknera laboratorijā neizskatās, ka tas varētu glābt planētu. Tas visvairāk atgādina atkritumu tvertni, kas tā arī ir.

Kamēr Lakners skatās, salicis rokas savu nospiesto haki krāsu kabatās, mašīna sāk pārveidoties. Trīs matrača formas metāla rāmji paceļas no trauka iekšām, izvēršoties kā akordeons, stiepjoties pret griestiem.

Šis stāsts bija daļa no mūsu 2019. gada marta numura

• Skatiet pārējo izdevuma daļu
• Abonēt

Katrā rāmī ir simtiem baltu polimēru sloksņu, kas pildītas ar sveķiem, kas saistās ar oglekļa dioksīda molekulām. Sloksnes veido sava veida buras, kas paredzētas, lai izvilktu siltumnīcefekta gāzes no gaisa, vējam pūšot cauri ierīcei.

Būtiski, ka tas pats materiāls mitrā stāvoklī izdala oglekļa dioksīdu. Lai tas notiktu, Lackner ierīce ievelk savus rāmjus konteinerā, kas pēc tam piepildās ar ūdeni. Pēc tam gāzi var savākt un izmantot citiem mērķiem, un process var sākties no jauna.

Lakners un viņa kolēģi Arizonas štata universitātes Negatīvo oglekļa emisiju centrā ir izveidojuši vienkāršu iekārtu ar grandiozu mērķi: uztvert un pārstrādāt oglekļa dioksīdu, lai mazinātu klimata pārmaiņu sekas. Viņš iztēlojās to mežus, kas stiepjas pāri laukiem, izsūcot to no atmosfēras miljardiem tonnu.

66 gadus vecais Lakners ar izkrītošiem sudraba matiem tagad ir strādājis pie šīs problēmas divus gadu desmitus. 1999. gadā kā daļiņu fiziķis Losalamos Nacionālajā laboratorijā viņš uzrakstīja pirmo zinātnisko rakstu, kurā tika pētītas iespējas cīnīties ar klimata pārmaiņām, izvelkot no gaisa oglekļa dioksīdu. Viņa balss bija vientuļa gadiem ilgi. Taču arvien vairāk cilvēku pievēršas viņa domām, jo ​​pasaule cenšas pietiekami ātri samazināt klimata emisijas, lai novērstu katastrofālu sasilšanu. Lāknera darbs ir palīdzējis iedvesmot nedaudziem tiešās gaisa uztveršanas jaunizveidotiem uzņēmumiem, tostarp vienam no viņa paša izveidotajiem uzņēmumiem, kā arī pieaugošam zinātniskās literatūras apjomam. Ir grūti iedomāties citu jomu, kas tik lielā mērā ir viena cilvēka domāšanas un aizstāvības rezultāts, saka Deivids Kīts, Hārvardas profesors, kurš ir līdzdibinātājs citam no šiem jaunizveidotiem uzņēmumiem, Carbon Engineering. Klauss bija galvenais arguments, ka [tiešo gaisa uztveršanu] varētu attīstīt tādā mērogā, kas atbilst oglekļa un klimata problēmai.

Neviens, ieskaitot Lakneru, īsti nezina, vai shēma darbosies. Ķīmija ir pietiekami vienkārša. Bet vai mēs tiešām varam uzbūvēt pietiekami daudz oglekļa noņemšanas iekārtu, lai mazinātu klimata pārmaiņas? Kurš par tiem maksās? Un ko mēs darīsim ar visu oglekļa dioksīdu, ko viņi savāc?

Jaunākais prototips izvēršas, lai satvertu oglekli no gaisa. Klauss Lakners bija pionieris tiešās gaisa uztveršanas jomā. Spensers Lovels

Lākners viegli atzīst nezināmo, taču uzskata, ka jo lētāks process kļūst, jo iespējams tas kļūst. Ja es jums saku: 'Jūs varētu atrisināt oglekļa problēmu par 1000 USD par tonnu', mēs teiksim: 'Klimata pārmaiņas ir mānīšana,' saka Lekners. Bet, ja tas ir 5 USD par tonnu vai 1 USD par tonnu, mēs teiksim: 'Kāpēc mēs to vēl neesam salabojuši?'

Mūsu iespēju sašaurināšanās

Oglekļa dioksīda koncentrācija atmosfērā tuvojas 410 daļām uz miljonu. Tas jau ir paaugstinājis globālo temperatūru par gandrīz 1 ˚C virs pirmsindustriālā laikmeta līmeņa un pastiprinājis sausumu, meža ugunsgrēkus un citas dabas katastrofas. Šīs briesmas tikai palielināsies, jo emisijas turpinās pieaugt.

Daži zinātniskie kritiķi uzskatīja, ka Lāknera prognozes ir ne tikai nepareizas, bet arī bīstamas. Pāris kritisku dokumentu 2011. gadā daudziem izklausījās kā nāves zvans tiešai gaisa uztveršanai. Lakners bija neapšaubāms.

Jaunākajā ANO Klimata pārmaiņu starpvaldību padomes novērtējumā konstatēts, ka nav iespējams ierobežot vai atgriezt globālo sasilšanu līdz 1,5 ˚C, ja līdz gadsimta beigām nav izdevies izņemt no 100 miljardiem līdz triljoniem tonnu oglekļa dioksīda. Augstākajā līmenī tas nozīmē gandrīz trīs gadu desmitus globālo emisiju apvērsumu ar pašreizējo ātrumu.

Ir daži veidi, kā izņemt oglekļa dioksīdu no atmosfēras. Tie ietver daudzu koku stādīšanu, zālāju un citu platību atjaunošanu, kas dabiski satur oglekli augsnē, kā arī oglekļa dioksīdu iesūcošu augu un citu veidu biomasas izmantošanu kā degvielas avotu, bet jebkādu emisiju uztveršanu, kad tās tiek izmantotas (process, kas pazīstams kā bio -enerģija ar oglekļa uztveršanu un uzglabāšanu).

Taču ASV Nacionālo akadēmiju ziņojumā oktobrī tika atklāts, ka ar šīm metodēm vien, iespējams, nepietiks, lai novērstu 2˚C sasilšanu — vismaz ne tad, ja mēs vēlamies ēst. Tas ir tāpēc, ka zemes daudzums, kas nepieciešams, lai uztvertu tik daudz oglekļa dioksīda, būtu saistīts ar milzīgu lauksaimniecības pārtikas ražošanas apjomu.

Oglekļa uztveršanas materiālu tuvplāna skats zālei līdzīgā konfigurācijā — agrāks dizains, kas atbrīvo oglekļa dioksīdu, ievietojot to siltumnīcā. Spensers Lovels

Tiešās gaisa uztveršanas ierīču, piemēram, Laknera un citu izstrādāto ierīču, pievilcība ir tāda, ka tās var izsūkt tādu pašu oglekļa dioksīda daudzumu uz daudz mazākas zemes. Lielā problēma ir tā, ka šobrīd ir daudz lētāk iestādīt koku. Pie pašreizējām izmaksām, kas ir aptuveni 600 USD par tonnu, triljona tonnu iegūšana nozīmētu aptuveni 600 triljonus USD, kas ir vairāk nekā septiņas reizes vairāk nekā pasaules gada IKP.

Pagājušajā vasarā Hārvarda Kīts aprēķināja, ka tiešās gaisa uztveršanas sistēma, kuru viņš palīdzēja izstrādāt, galu galā pilnā apjomā varētu maksāt mazāk par 100 USD par tonnu. Carbon Engineering, kas atrodas Britu Kolumbijā, pašlaik paplašinās savu izmēģinājuma rūpnīcu, lai palielinātu sintētiskās degvielas ražošanu, kas izveidota, apvienojot uztverto oglekļa dioksīdu ar ūdeņradi. Tie, savukārt, tiks pārveidoti par dīzeļdegvielu un reaktīvo degvielu, kas tiek uzskatīta par oglekļa neitrālu, jo nav nepieciešama papildu fosilā kurināmā izrakte.

Ja Kīta metode var uztvert oglekļa dioksīdu par 100 USD tonnā, šo sintētisko degvielu varētu rentabli pārdot tirgos ar valsts politikas atbalstu, piemēram, Kalifornijā ar atjaunojamās degvielas standartiem vai Eiropas Savienībā saskaņā ar atjaunināto Atjaunojamās enerģijas direktīvu. Cerams, ka šāda veida agrīnās iespējas palīdzēs paplašināt tehnoloģiju, vēl vairāk samazināt izmaksas un atvērt papildu tirgus.

Citi jaunizveidotie uzņēmumi, tostarp Šveices uzņēmums Climeworks un Ņujorkas Global Thermostat, domā, ka var sasniegt līdzīgas vai pat zemākas izmaksas. Viņi pēta tādus tirgus kā sodas rūpniecība un siltumnīcas, kurās augu mēslošanai izmanto gaisu, kas bagātināts ar oglekļa dioksīdu.

Tomēr oglekļa dioksīda pārdošana nav viegls piedāvājums.

Saskaņā ar Nacionālo akadēmiju pētījumu, globālais pieprasījums ir salīdzinoši neliels: aptuveni daži simti miljonu tonnu gadā, kas ir daļa no desmitiem miljardu, kas galu galā ir jālikvidē katru gadu. Turklāt lielākā daļa no šī pieprasījuma ir saistīta ar uzlabotu naftas ieguvi — paņēmienu, kas piespiež saspiestu oglekļa dioksīdu urbumos, lai atbrīvotu pēdējos naftas pilienus, kas tikai pasliktina klimata problēmu.

Kritisks jautājums oglekļa uztveršanas jaunizveidotajiem uzņēmumiem ir tas, cik daudz varētu pieaugt oglekļa dioksīda tirgus. Desmitiem uzņēmumu meklē jaunus veidus, kā to īstenot. Tajos ietilpst Kalifornijā bāzētais Opus12, kas izmanto oglekļa dioksīdu, lai ražotu ķimikālijas un polimērus, un CarbonCure of Nova Scotia, kas sadarbojas ar vairāk nekā 100 betona ražotājiem, lai pārvērstu oglekļa dioksīdu kalcija karbonātā, kas tiek iesprostots betonā, kad tas sacietē.

Globālās CO2 iniciatīvas 2016. gada ziņojumā tika lēsts, ka to produktu tirgus, kuros var izmantot oglekļa dioksīdu, tostarp šķidrā degviela, polimēri, metanols un betons, līdz 2030. gadam varētu sasniegt 800 miljardus ASV dolāru. Šīs nozares varētu izmantot aptuveni 7 miljardus tonnu uz katru. gadā — aptuveni 15% no gada globālajām emisijām.

Tomēr šādas prognozes ir ārkārtīgi optimistiskas. Un pat tad, ja patiešām notiks tik plaša vairāku sektoru transformācija, tā joprojām atstās milzīgu daudzumu uztvertā oglekļa dioksīda, kas būs pastāvīgi jāuzglabā pazemē.

Simtiem polimēru sloksņu veido sava veida buru, kas satver oglekļa dioksīda molekulas, vējam izpūšot gaisu caur ierīci. Lackner izmanto agrīnu gaisa uztveršanas ierīces modeli, kurā oglekļa uztveršanas materiāli ir veidoti režģī. Spensers Lovels

Tas notiks tikai tad, ja sabiedrība nolems par to maksāt, un daži ir skeptiski, ka mēs kādreiz to darīsim. Oglekļa dioksīda uztveršana no gaisa, kas nozīmē vienas molekulas izņemšanu no gandrīz 2500 citām molekulām, ir viens no energoietilpīgākajiem un dārgākajiem veidiem, kā mēs varētu sapņot par cīņu ar klimata pārmaiņām. Tieša gaisa uztveršana ir dārgāka nekā izvairīšanās no emisijām, taču šobrīd mēs pat neesam gatavi tērēt papildu naudu, lai to paveiktu, saka Kens Kaldeira, Kārnegi institūta klimata zinātnieks. Tāpēc doma, ka mēs nonāksim pie negatīvām civilizācijas mēroga emisijām, izmantojot gaisa uztveršanu, man šķiet tikai fantāzija.

Robotu izgatavošanas roboti

Kādā 1992. gada vasaras naktī, kamēr Lakners bija pētnieks Losalamosas Nacionālajā laboratorijā, viņš kopā ar kādu daļiņu fiziķi dzēra alu un sūdzējās par lielu, drosmīgu ideju trūkumu zinātnē. Pēc viena vai diviem dzērieniem viņiem bija viens savs: kas būtu iespējams, ja mašīnas varētu uzbūvēt mašīnas? Cik lielas un ātri jūs varētu izgatavot lietas?

Viņi ātri saprata, ka vienīgais veids, kā shēma darbosies, ir izstrādāt robotus, kas izraka visus savus izejmateriālus no netīrumiem, uzbūvēja saules paneļus, lai darbinātu procesu, un veidotu arvien vairāk sevis kopiju.

Nākamajā rītā Lekners un viņa draugs Kristofers Vends no Viskonsinas-Medisonas universitātes nolēma, ka viņiem ir ideja, kuru vērts izpētīt. Galu galā viņi publicēja rakstu, kurā tika izstrādāta matemātika un izpētītas vairākas lietojumprogrammas, tostarp pašreplicējošie roboti, kas varētu uztvert milzīgu daudzumu oglekļa dioksīda un pārvērst to karbonāta ieži.

Mans arguments vienmēr ir bijis, ka mums jābūt pasīviem, saka Lakners. Mēs vēlamies būt koks, kas stāv vējā un CO2 aiznes līdz mums.

Rakstā secināts, ka robotu armāda, saules bloki, oglekli konvertējošās mašīnas un akmeņu kaudzes pieaugs eksponenciāli, sasniedzot kontinenta izmērus mazāk nekā desmit gadu laikā. Pārvēršot 20% no atmosfērā esošā oglekļa dioksīda, tiktu izveidots 50 centimetrus (20 collas) biezs akmens slānis, kas aptvertu miljonu kvadrātkilometru (390 000 kvadrātjūdzes) — Ēģiptes lielumā.

Protams, problēma ir tāda, ka neeksistē pašreplicējošās iekārtas. Lākners pārgāja no šīs plāna daļas un īsi pievērsās saules enerģijai, kas aizstāj fosilo kurināmo. Bet, jo vairāk viņš pētīja šo problēmu, jo vairāk viņš uzskatīja, ka atjaunojamiem avotiem būs grūti konkurēt ar ogļu, naftas un benzīna cenu, pārpilnību un enerģijas blīvumu.

Tas man lika domāt, ka uz fosilo kurināmo balstītā enerģija neapgāzīsies un nemirs, viņš saka. Bet, iespējams, ja oglekļa noņemšanas tehnoloģijas būtu pietiekami lētas, viņš domāja, jūs varētu piespiest fosilā kurināmā piegādātājus sakopt sevi.

Dažus gadus vēlāk Lakners publicēja rakstu ar nosaukumu Oglekļa dioksīda ekstrakcija no gaisa: vai tā ir iespēja? Viņš apgalvoja, ka tas ir tehniski iespējams un varētu būt iespējams tikai par 15 USD par tonnu. (Viņš tagad uzskata, ka zemākā cena, iespējams, ir no 30 līdz 50 USD par tonnu.)

2001. gadā Lakners pārcēlās uz Kolumbijas universitāti, kur viņš līdzdibināja uzņēmumu Global Research Technologies, kas bija pirmais mēģinājums komercializēt tiešu gaisa uztveršanu. Apģērbu un mēbeļu uzņēmuma Lands’ End dibinātājs Gerijs Komers piešķīra uzņēmumam 8 miljonus dolāru no tā, ko Lekners raksturo kā piedzīvojumu kapitālu, nevis riska kapitālu.

Uzņēmums uzbūvēja nelielu prototipu, bet drīz vien pietrūka naudas. Investoru grupa iegādājās kontrolpaketi, pārcēla to uz Sanfrancisko un pārdēvēja par Kilimanjaro Energy. Lakners bija padomnieks un valdes loceklis. Bet tas klusi aizvēra durvis pēc tam, kad neizdevās savākt vairāk naudas.

Neskatoties uz šīm neveiksmēm, Lakners turpināja mēģināt izdomāt, kā lēti un efektīvi veikt gaisa uztveršanu. Viņš ir publicējis vairāk nekā 100 zinātnisku rakstu un redakcionālu rakstu par šo tēmu un pieteicies vairāk nekā diviem desmitiem patentu.

Tomēr daži zinātniskie kritiķi uzskatīja, ka Lāknera prognozes ir ne tikai nepareizas, bet arī bīstamas. Viņi baidījās, ka, apgalvojot, ka gaisa tiešu uztveršanu var veikt lēti un viegli, tas samazinās spiedienu samazināt emisijas. 2011. gadā vairākos pētījumos tika secināts, ka tehnoloģija maksās no 600 līdz 1000 USD par tonnu.

Hovards Hercogs, MIT Energy Initiative vecākais pētnieks, kurš bija līdzautors vienam no pētījumiem, veica papildu soli, norādot, ka daži tehnoloģiju piegādātāji ir čūsku eļļas pārdevēji. Pagājušajā gadā kādā intervijā Hercogs man teica, ka viņš galvenokārt runāja par Lakneru. Viņš saka, ka viņš patiešām bija ārpusē.

Daudzi abu dokumentu secinājumus lasa kā nāves signālu tiešai gaisa sagūstīšanai. Lākners palika stingri, stāstot žurnālam Nature pēc pirmā pētījuma publicēšanas: tie pierādīja, ka viens konkrēts veids, kā uztvert oglekļa dioksīdu no gaisa, ir dārgs. Pētot pingvīnus, jūs varētu secināt, ka putni nevar lidot.

Spensers Lovels

2014. gadā viņš un viņa Global Research Technologies līdzdibinātājs Alens Raits Arizonas štatā izveidoja Negatīvās oglekļa emisijas centru, kur viņi ir turpinājuši mēģināt panākt, lai viņu jaundzimušo varētu lidot.

Sintētisko mežu stādīšana

Negatīvo oglekļa emisiju centra dizaina pamatā ir īpaša veida komerciāli pieejami anjonu apmaiņas sveķi. Tā kā vējš pārnes oglekļa dioksīdu gaisā pa šīm polimēru sloksnēm, negatīvi lādētie joni saistās ar gāzes molekulām un pārvērš tās par bikarbonātu - galveno savienojumu cepamajā soda un antacīdos.

Pēc tam iekārta ievelkas, ievelkot šīs piesātinātās sloksnes atpakaļ tvertnē un sūknējot to pilnu ar ūdeni. Ūdens sāk pārvērst bikarbonāta molekulas karbonāta jonos.

Ūdenim aizplūstot, šie savienojumi kļūst nestabili un konteinerā esošajā gaisā pārvēršas oglekļa dioksīdā. Tagad ar oglekļa dioksīdu bagāto gaisu pēc tam var izsūkt caur cauruli blakus esošajās tvertnēs.

Tā kā oglekļa dioksīds ir relatīvi atšķaidīts gaisā, lielākajā daļā citu tiešo uztveršanas metožu tiek izmantoti lieli ventilatori, kas pūš gaisu virs saistmateriāliem, lai notvertu vairāk gāzes. Pēc tam viņi izmanto siltumu, lai vadītu turpmākās reakcijas, kas atbrīvo oglekļa dioksīdu. Abas šīs darbības patērē vairāk enerģijas. Turpretim Lakners saka, ka viņa un Raita pieejai ir nepieciešams tikai nedaudz elektrības, lai pagarinātu un ievilktu mašīnu, sūknētu ūdeni un izsūktu gaisu.

Mans arguments vienmēr ir bijis, ka mums jābūt pasīviem, saka Lakners. Mēs vēlamies būt koks, kas stāv vējā un CO2 aiznes līdz mums.

Bet šai metodei ir lieli trūkumi. Tas darbojas tikai tad, kad pūš vējš, un tam ir jēga tikai sausās vietās, jo mitrums ļauj izplūst oglekļa dioksīdam. Turklāt iegūtā oglekļa koncentrācija iegūtajā gāzē ir mazāka par 5%, salīdzinot ar aptuveni 98% no Carbon Engineering vai Climeworks iekārtas.

Būtisks jautājums oglekļa uztveršanas jaunizveidotiem uzņēmumiem ir tas, cik daudz oglekļa dioksīda tirgus varētu pieaugt. Desmitiem uzņēmumu meklē jaunus veidus, kā to īstenot.

Šis zemais līmenis ir piemērots augu mēslošanai siltumnīcās. Bet tas ir niecīgs tirgus, un Lakneram ir grandiozāks dizains.

Viņš iztēlojas tūkstošiem šo mašīnu, kas kādā sausā un karstā pasaules daļā no debesīm plūc oglekļa dioksīdu, savukārt blakus esošie saules paneļi vada elektrolīzes procesu, kas iegūst ūdeņradi no ūdens. Pēc tam oglekļa dioksīdu un ūdeņradi varētu kombinēt uz vietas, lai dienā saražotu tūkstošiem barelu sintētiskās degvielas, ko varētu pārdot apkurei vai transportēšanai, vai izmantot elektrisko tīklu barošanai, ja izmanto atjaunojamos enerģijas avotus, piemēram, vēja un saules karogu.

Tomēr šis plāns rada vairākus izaicinājumus. Elektrolīze joprojām ir ļoti dārga. Viņiem vajadzētu saspiest oglekļa dioksīdu līdz vajadzīgajai koncentrācijai, vienlaikus noņemot ūdens tvaikus, slāpekli un skābekli.

To var izdarīt, taču tas var ievērojami palielināt izmaksas un enerģijas vajadzības. Šis ir liels, svarīgs gabals, ko viņš mazliet aizsvītro, saka Dženifera Vilkoksa, Vusteras Politehniskā institūta profesore un Nacionālo akadēmiju ziņojuma līdzautore.

Daži uzskata, ka Leknera kā teorētiķa un liela tēla puiša stiprās puses viņam nav tik labi palīdzējušas, pārvēršot šīs idejas vajadzīgajos sasniegumos materiālzinātnē un ķīmijā. Proti, negatīvo oglekļa emisiju centra projekts ievērojami atpaliek no Carbon Engineering, Climeworks un Global Thermostat, kas uzkrāj kapitālu, pieņem darbā darbiniekus un veido demonstrācijas, ja ne komerciāla mēroga iekārtas.

Bet Lakners joprojām ir pārliecināts, ka viņa pieeja būs lētāka nekā konkurējošie. Es varu to izkārtot pa vienību procesam, un, runājot par pirmajiem principiem, katrā solī mēs esam nedaudz lētāki, viņš saka.

Dziļas nepatikšanas

Kā pats Lākners jūtas par tehnoloģiju izredzēm vairāk nekā divas desmitgades pēc šī pētniecības ceļa uzsākšanas? Tā nav vienkārša atbilde. Lakners īsti nesniedz vienkāršas atbildes. Pastaigas laikā pa universitātes ar palmām ieskauto Tempes pilsētiņu viņš joprojām ir pārliecināts, ka tieša gaisa uztveršana ir iespējama, un uzskata, ka tas varētu izmaksāt daudz lētāk, ja tas spēs sasniegt komerciālu mērogu.

Taču es neesmu tik optimistisks, ka mums ir politiskā griba iet cauri šim slieksnim, viņš saka.

Ņemot vērā augstās sākotnējās izmaksas un ierobežotos tirgus, viņš uzskata, ka tehnoloģijai būs nepieciešams ievērojams valdības finansējums vai stingri noteikumi, lai to plaši pieņemtu, un lielāks valdības atbalsts, lai segtu izmaksas, kas saistītas ar lielākās daļas neizmantojamās oglekļa dioksīda uztveršanu un apglabāšanu. . Viņš uzskata, ka mums būs jāapstrādā oglekļa dioksīds kā notekūdeņi, pieprasot patērētājiem vai uzņēmumiem maksāt par tā savākšanu un apglabāšanu nodokļos vai nodevās.

Taču pēc gadu desmitiem ilgas salīdzinoši nelielas politiskās darbības klimata pārmaiņu jomā un sīvās sabiedrības pretestības oglekļa nodokļiem viņš baidās, ka pasaule nepievērsīsies šādam domāšanas veidam, kamēr klimata katastrofu izraisītās ciešanas kļūs pārāk šausmīgas, lai tās ignorētu.

Viņš ir pārliecināts, ka pēc tam, kad viņš ir pavadījis vairāk laika nekā jebkurš cits, prātojot par oglekļa noņemšanu, mums tas būs vajadzīgs. Es esmu pirmais, kurš atzīst, ka gaisa uztveršana nav pierādīta, un tas noteikti nav pierādīts mērogā, saka Lakners. Bet mēs esam lielās nepatikšanās, ja nevaram to izdomāt.

paslēpties