En mands to årtiers søgen efter at suge drivhusgas ud af himlen

Den store metalbeholder i Klaus Lackners laboratorium ser ikke ud til at kunne redde planeten. Den ligner mest en affaldscontainer - hvilket den sådan set er.

Mens Lackner ser på med hænderne i lommerne på sine pressede kakibukser, begynder maskinen at forvandle sig. Tre madrasformede metalrammer rejser sig fra beholderens indvolde og folder sig ud som en harmonika, mens de strækker sig mod loftet.

Denne historie var en del af vores marts 2019-udgave

• Se resten af ​​problemet
• Abonner

Hvert stel indeholder hundredvis af hvide polymerstrimler fyldt med harpiks, der binder med kuldioxidmolekyler. Strimlerne danner en slags sejl, designet til at snuppe drivhusgassen ud af luften, når vinden blæser gennem indretningen.

Det er afgørende, at det samme materiale frigiver kuldioxiden, når den er våd. For at få det til at ske trækker Lackners enhed sine rammer tilbage i deres beholder, som derefter fyldes med vand. Gassen kan derefter opsamles og anvendes til anden anvendelse, og processen kan begynde igen.

Lackner og hans kolleger ved Arizona State Universitys Center for Negative Carbon Emissions har bygget en simpel maskine med et stort formål: at opfange og genbruge kuldioxid for at lette virkningerne af klimaændringer. Han forestiller sig skove af dem, der strækker sig over landskabet og suger milliarder af tons af det op fra atmosfæren.

Lackner, 66, med vigende sølvhår, har nu arbejdet på problemet i to årtier. I 1999 skrev han som partikelfysiker ved Los Alamos National Laboratory den første videnskabelige artikel, der udforskede muligheden for at bekæmpe klimaændringer ved at trække kuldioxid ud af luften. Han var en ensom stemme i årevis. Men en voksende skare er kommet til hans tankegang, mens verden kæmper for at skære ned på klimaemissionerne hurtigt nok til at forhindre katastrofal opvarmning. Lackners arbejde har været med til at inspirere en håndfuld startups med direkte luftindfangning, inklusive en af ​​hans egne, og en voksende mængde videnskabelig litteratur. Det er svært at tænke på et andet felt, der i så høj grad er et produkt af en enkelt persons tænkning og fortalervirksomhed, siger David Keith, en Harvard-professor, der var medstifter af en anden af ​​disse startups, Carbon Engineering. Klaus var afgørende for argumentet om, at [direkte luftindfangning] kunne udvikles i en skala, der er relevant for kulstof-klimaproblemet.

Ingen, inklusive Lackner, ved rigtigt, om ordningen vil virke. Kemien er nem nok. Men kan vi virkelig konstruere i nærheden af ​​nok kulfjernelsesmaskiner til at gøre et indhug i klimaændringerne? Hvem skal betale for dem? Og hvad skal vi med al den kuldioxid, de opsamler?

Den seneste prototype folder sig ud for at få kulstof fra luften. Klaus Lackner var pioner inden for direkte luftfangst. Spencer Lowell

Lackner erkender let det ukendte, men mener, at jo billigere processen bliver, jo mere gennemførlig bliver den. Hvis jeg fortæller dig: 'Du kunne løse kulstofproblemet for 1.000 dollars pr. ton', vil vi sige: 'Klimaforandringer er en fup,' siger Lackner. Men hvis det er $5 pr. ton, eller $1 pr. ton, vil vi sige: 'Hvorfor har vi ikke rettet det endnu?'

Indsnævring af vores muligheder

Koncentrationen af ​​kuldioxid i atmosfæren nærmer sig 410 ppm. Det har allerede drevet de globale temperaturer næsten 1 ˚C over førindustrielle niveauer og intensiveret tørke, naturbrande og andre naturkatastrofer. Disse farer vil kun forværres, når emissionerne fortsætter med at stige.

Nogle videnskabelige kritikere fandt Lackners fremskrivninger ikke bare forkerte, men farlige. Et par kritiske papirer i 2011 lød for mange som et dødsstød for direkte luftindfangning. Lackner var uforfærdet.

Den seneste vurdering fra FN's mellemstatslige panel om klimaændringer fandt, at der ikke er nogen måde at begrænse eller returnere den globale opvarmning til 1,5 ˚C uden at fjerne et sted mellem 100 milliarder og en billion tons kuldioxid ved udgangen af ​​århundredet. I den høje ende betyder det at vende næsten tre årtiers globale emissioner med den nuværende hastighed.

Der er en håndfuld måder at trække kuldioxid ud af atmosfæren. De omfatter plantning af masser af træer, genopretning af græsarealer og andre områder, der naturligt holder kulstof i jorden, og brug af kuldioxid-sugende planter og andre former for biomasse som brændstofkilde, men opsamling af eventuelle emissioner, når de bruges (en proces kendt som bio -energi med kulstoffangst og -lagring).

Men en rapport fra US National Academies i oktober viste, at disse tilgange alene sandsynligvis ikke vil være nok til at forhindre 2˚C opvarmning - i hvert fald ikke hvis vi vil spise. Det skyldes, at mængden af ​​jord, der kræves for at fange så meget kuldioxid, ville komme på bekostning af en enorm mængde landbrugsfødevareproduktion.

Et nærbillede af de kulstoffangende materialer i en græslignende konfiguration, et tidligere design, der frigiver kuldioxid, når det placeres i et drivhus. Spencer Lowell

Tiltrækningen ved direkte luftindfangningsenheder som dem, Lackner og andre udvikler, er, at de kan suge den samme mængde kuldioxid ud på langt mindre jord. Det store problem er, at det lige nu er meget billigere at plante et træ. Med de nuværende omkostninger på omkring 600 dollars pr. ton, ville en indfangning af en billion tons løbe på omkring 600 billioner dollars, mere end syv gange verdens årlige BNP.

I et papir sidste sommer beregnede Harvards Keith, at det direkte luftindfangningssystem, han hjalp med at designe, i sidste ende kunne koste mindre end 100 dollars pr. ton i fuld skala. Carbon Engineering, der er baseret i British Columbia, er i gang med at udvide sit pilotanlæg for at øge produktionen af ​​syntetiske brændstoffer, skabt ved at kombinere den opfangede kuldioxid med brint. Disse vil til gengæld blive omdannet til former for diesel og jetbrændstof, der betragtes som CO2-neutral, da de ikke kræver at grave yderligere fossile brændstoffer op.

Hvis Keiths metode kan opfange kuldioxid for 100 dollars pr. ton, kan disse syntetiske brændstoffer sælges rentabelt på markeder med offentlig politikstøtte, såsom Californien med dets standarder for vedvarende brændstoffer eller EU under dets opdaterede direktiv om vedvarende energi. Håbet er, at denne form for tidlige muligheder vil hjælpe med at skalere teknologien op, drive omkostningerne yderligere ned og åbne yderligere markeder.

Andre startups, herunder schweizisk-baserede Climeworks og Global Thermostat of New York, tror, ​​de kan opnå lignende eller endda lavere omkostninger. De udforsker markeder som sodavandsindustrien og drivhuse, der bruger luft beriget med kuldioxid til at befrugte planter.

At sælge kuldioxid er dog ikke et let forslag.

Den globale efterspørgsel er relativt lille: i størrelsesordenen et par hundrede millioner tons om året, en brøkdel af de titusindvis af milliarder, der i sidste ende skal fjernes årligt, ifølge National Academies undersøgelse. Desuden er det meste af efterspørgslen efter øget olieudvinding, en teknik, der tvinger komprimeret kuldioxid ned i brønde for at frigøre de sidste dryp af olie, hvilket kun gør klimaproblemet værre.

Et kritisk spørgsmål for kulstoffangende startups er, hvor meget markedet for kuldioxid kan vokse. Dusinvis af virksomheder udforsker nye måder at sætte det i gang. De omfatter Californien-baserede Opus12, som bruger kuldioxid til at producere kemikalier og polymerer, og CarbonCure fra Nova Scotia, som samarbejder med mere end 100 betonproducenter for at omdanne kuldioxid til calciumcarbonat, der bliver fanget i betonen, mens det stivner.

En rapport fra 2016 fra Global CO2 Initiative anslog, at markedet for produkter, der kunne bruge kuldioxid – inklusive flydende brændstoffer, polymerer, methanol og beton – kunne nå op på 800 milliarder dollars i 2030. Disse industrier kunne bruge omkring 7 milliarder tons pr. år — omkring 15 % af de årlige globale emissioner.

Sådanne fremskrivninger er dog yderst optimistiske. Og selvom en så stor transformation af flere sektorer faktisk finder sted, vil den stadig efterlade enorme mængder opfanget kuldioxid, som skal opbevares permanent under jorden.

De hundredvis af polymerstrimler danner en slags sejl, der griber kuldioxidmolekyler, når vinden blæser luft gennem enheden. Lackner kigger gennem en tidlig model af en luftindfangningsenhed med de kulstoffangende materialer formet til et gitter. Spencer Lowell

Det vil kun ske, hvis samfundet beslutter sig for at betale for det, og nogle er skeptiske, vi nogensinde vil. At fange kuldioxid ud af luften - hvilket betyder at plukke et enkelt molekyle blandt næsten 2.500 andre - er en af ​​de mest energikrævende og dyre måder, vi kunne drømme om at kæmpe med klimaændringer på. Direkte luftopsamling er dyrere end at undgå emissioner, men lige nu er vi ikke engang villige til at bruge de ekstra penge på at gøre det, siger Ken Caldeira, klimaforsker ved Carnegie Institution. Så ideen om, at vi kommer til negative emissioner i civilisationsskala gennem luftfangst, virker for mig bare som en fantasi.

Robotskabende robotter

En sommernat i 1992, mens Lackner var forsker ved Los Alamos National Laboratory, tog han og en kollega partikelfysiker en øl og klagede over manglen på store, dristige ideer i videnskaben. En eller to drinks senere fik de en af ​​deres egne: Hvad ville blive muligt, hvis maskiner kunne bygge maskiner? Hvor store og hurtige kunne du fremstille ting?

De indså hurtigt, at den eneste måde, ordningen ville fungere på, er, hvis du designede robotter, der gravede alle deres egne råmaterialer op fra snavs, konstruerede solpaneler for at drive processen - og lavede stadig flere kopier af sig selv.

Næste morgen besluttede Lackner og hans ven, Christopher Wendt fra University of Wisconsin-Madison, at de havde en idé, der var værd at udforske. De offentliggjorde til sidst et papir, der udarbejdede regnestykket og udforskede flere applikationer, inklusive selvreplikerende robotter, der kunne fange enorme mængder kuldioxid og omdanne det til karbonatsten.

Mit argument har altid været, at vi skal være passive, siger Lackner. Vi vil gerne være et træ, der står i vinden og få CO2 ført til os.

Robotarmadaen, solarrays, kulstofkonverteringsmaskiner og stenbunker ville alle vokse eksponentielt og nå kontinental størrelse på mindre end et årti, konkluderede avisen. Konvertering af 20 % af kuldioxiden i atmosfæren ville generere et lag af sten på 50 centimeter (20 tommer) tykt, der dækker en million kvadratkilometer (390.000 kvadrat miles) - et område på størrelse med Egypten.

Problemet er selvfølgelig, at selvreplikerende maskiner ikke eksisterer. Lackner gik videre fra den del af planen og fokuserede kort på solenergi som erstatning for fossile brændstoffer. Men jo mere han studerede problemet, jo mere troede han på, at vedvarende energikilder ville kæmpe for at konkurrere med prisen, overfloden og energitætheden af ​​kul, olie og benzin.

Det antydede for mig, at energi baseret på fossilt brændsel ikke bare vil vælte og dø, siger han. Men måske hvis kulstoffjernelsesteknologier var billige nok, mente han, kunne man tvinge udbydere af fossile brændstoffer til at rydde op efter sig selv.

Et par år senere udgav Lackner et papir med titlen Carbon Dioxide Extraction from Air: Is It an Option? Han argumenterede for, at det var teknisk muligt og kunne være muligt for så lidt som $15 pr. ton. (Han mener nu, at prisbunden sandsynligvis er mellem $30 og $50 pr. ton.)

I 2001 flyttede Lackner til Columbia University, hvor han var med til at stifte Global Research Technologies, det første forsøg på at kommercialisere direkte luftfangst. Gary Comer, grundlægger af tøj- og møbelfirmaet Lands’ End, overrakte virksomheden 8 millioner dollars af det, Lackner beskriver som eventyrkapital, ikke venturekapital.

Virksomheden byggede en lille prototype, men løb hurtigt tør for penge. En gruppe investorer købte den kontrollerende interesse, flyttede den til San Francisco og omdøbte den til Kilimanjaro Energy. Lackner fungerede som rådgiver og bestyrelsesmedlem. Men det lukkede stille og roligt sine døre efter ikke at have skaffet flere penge.

På trods af disse fejl fortsatte Lackner med at forsøge at finde ud af, hvordan man laver luftindfangning billigt og effektivt. Han har udgivet mere end 100 videnskabelige artikler og lederartikler om emnet og ansøgt om mere end to dusin patenter.

Nogle videnskabelige kritikere fandt imidlertid, at Lackners fremskrivninger ikke bare var forkerte, men også farlige. De frygtede, at at hævde, at direkte luftindfangning kunne gøres billigt og nemt ville reducere presset for at skære ned på emissionerne. I 2011 konkluderede et par undersøgelser, at teknologien ville koste mellem $600 og $1.000 pr. ton.

Howard Herzog, en seniorforsker ved MIT Energy Initiative, som var medforfatter til en af ​​undersøgelserne, tog det ekstra skridt at antyde, at nogle leverandører af teknologien var slangeolie-sælgere. I et interview sidste år fortalte Herzog mig, at han hovedsageligt talte om Lackner. Det var ham, der virkelig var derude, siger han.

Mange læser de to avisers konklusioner som et dødsstød for direkte luftfangst. Lackner stod fast og sagde til tidsskriftet Nature efter den første af undersøgelserne blev offentliggjort: De beviste, at en specifik måde at opfange kuldioxid fra luft på er dyr. Hvis du studerer pingviner, kan du springe til den konklusion, at fugle ikke kan flyve.

Spencer Lowell

I 2014 etablerede han og hans Global Research Technologies-medstifter, Allen Wright, Center for Negative Carbon Emissions i Arizona State, hvor de fortsatte med at forsøge at få deres eget spæde barn til at flyve.

Plantning af syntetiske skove

I hjertet af Center for Negative Carbon Emissions design er en særlig type kommercielt tilgængelig anionbytterharpiks. Da vinden transporterer kuldioxid i luften på tværs af disse polymerstrimler, binder negativt ladede ioner sig til gasmolekylerne og omdanner dem til bikarbonat - hovedforbindelsen i bagepulver og antacida.

Maskinen trækker sig derefter tilbage, trækker de mættede strimler tilbage i beholderen og pumper den fuld af vand. Vandet begynder at omdanne bicarbonatmolekylerne til carbonationer.

Når vandet løber væk, bliver disse forbindelser ustabile og bliver tilbage til kuldioxid i luften i beholderen. Den nu kuldioxidrige luft kan derefter suges ud gennem et rør og ind i et tilstødende sæt tanke.

Da kuldioxid er relativt fortyndet i luften, anvender de fleste andre direkte indfangningstilgange store blæsere til at blæse luft over bindematerialerne for at fange mere af gassen. De bruger derefter varme til at drive de efterfølgende reaktioner, der frigiver kuldioxiden. Begge disse trin bruger mere energi. I modsætning hertil, siger Lackner, kræver hans og Wrights tilgang bare lidt elektricitet til at forlænge og trække maskinen tilbage, pumpe vandet og støvsuge luften.

Mit argument har altid været, at vi skal være passive, siger Lackner. Vi vil gerne være et træ, der står i vinden og få CO2 ført til os.

Men der er store ulemper ved denne metode. Det virker kun, når vinden blæser og giver kun mening i tørre områder, da fugt tillader kuldioxiden at undslippe. Desuden er koncentrationen af ​​opfanget kulstof i den resulterende gas mindre end 5 % sammenlignet med omkring 98 % fra et Carbon Engineering- eller Climeworks-anlæg.

Et kritisk spørgsmål for kulstoffangende startups er, hvor meget markedet for kuldioxid kan vokse. Dusinvis af virksomheder udforsker nye måder at sætte det i gang.

Det lave niveau er fint til at gøde planter i drivhuse. Men det er et lille marked, og Lackner har større design.

Han forestiller sig, at tusindvis af disse maskiner plukker kuldioxid fra himlen i en tør og varm del af verden, mens tilstødende solpaneler driver en elektrolyseproces, der udvinder brint fra vand. Kuldioxiden og brinten kunne derefter kombineres på stedet for at producere tusindvis af tønder om dagen af ​​syntetisk brændstof, som kunne sælges til opvarmning eller transport, eller bruges til at føde el-nettet, når vedvarende energi som vind- og solflag.

Den plan giver dog flere udfordringer. Elektrolyse er stadig meget dyrt. Og de bliver nødt til at komprimere kuldioxiden til den nødvendige koncentration, mens de fjerner vanddamp, nitrogen og ilt.

Det kan lade sig gøre, men det kan øge omkostningerne og energibehovet væsentligt. Dette er et stort, vigtigt stykke, som han smyger sig lidt over, siger Jennifer Wilcox, professor ved Worcester Polytechnic Institute og medforfatter af National Academies-rapporten.

Nogle mener, at Lackners styrker som teoretiker og stormandsmand ikke har tjent ham så godt til at omsætte disse ideer til de nødvendige fremskridt inden for materialevidenskab og kemi. Navnlig ligger Center for Negative Carbon Emissions-projektet et godt stykke efter Carbon Engineering, Climeworks og Global Thermostat, som samler kapital, ansætter personale og bygger demonstrationsanlæg, hvis ikke kommercielle skalaer.

Men Lackner er fortsat overbevist om, at hans tilgang vil være billigere end konkurrerende. Jeg kan lægge det ud enhedsproces for enhedsproces, og i forhold til de første principper er vi på hvert trin lidt billigere, siger han.

Dybe problemer

Hvordan har Lackner selv det med teknologiens udsigter mere end to årtier efter at have startet denne forskningsvej? Det er ikke et enkelt svar. Lackner laver egentlig ikke simple svar. Under en gåtur på tværs af universitetets palmeomkransede campus i Tempe siger han, at han fortsat er overbevist om, at direkte luftindfangning er mulig og mener, at det kan blive meget billigere, hvis det er i stand til at nå kommerciel skala.

Men jeg er mindre optimistisk over, at vi har den politiske vilje til at gå igennem den tærskel, siger han.

I betragtning af de høje tidlige omkostninger og begrænsede markeder, mener han, at teknologien vil have brug for betydelig offentlig finansiering eller stramme regler for at blive bredt vedtaget - og mere statsstøtte til at dække omkostningerne ved at opsamle og begrave størstedelen af ​​den kuldioxid, der ikke kan bruges . Han mener, at vi bliver nødt til at behandle kuldioxid som spildevand, hvilket kræver, at forbrugere eller virksomheder betaler for dets indsamling og bortskaffelse, hvad enten det er i skatter eller afgifter.

Men efter årtier med relativt lidt politisk handling om klimaændringer og voldsom offentlig modstand mod kulstofafgifter, frygter han, at verden ikke vil komme rundt til den måde at tænke på, før lidelserne fra klimakatastrofer bliver for forfærdelige til at ignorere.

Hvad han er sikker på, efter at have brugt mere tid end nogen anden på at pusle over kulstoffjernelse, er, at vi får brug for det. Jeg er den første til at indrømme, at luftfangst ikke er bevist - og det er bestemt ikke bevist i skala, siger Lackner. Men vi er i dybe problemer, hvis vi ikke kan finde ud af det.

skjule