211service.com
En manns forsøk på to tiår etter å suge drivhusgasser ut av himmelen
Den store metallbeholderen i Klaus Lackners laboratorium ser ikke ut som den kan redde planeten. Den ligner mest på en søppelcontainer - som den liksom er.
Mens Lackner ser på, med hendene i lommene på de pressede kakiene, begynner maskinen å forvandle seg. Tre madrassformede metallrammer reiser seg fra innvollene i beholderen, og folder seg ut som et trekkspill mens de strekker seg mot taket.
Denne historien var en del av mars 2019-utgaven vår
- Se resten av saken
- Abonnere
Hver ramme inneholder hundrevis av hvite polymerstrimler fylt med harpiks som binder seg med karbondioksidmolekyler. Strimlene danner et slags seil, designet for å rive drivhusgassen ut av luften mens vinden blåser gjennom innretningen.
Det er avgjørende at det samme materialet frigjør karbondioksid når det er vått. For å få det til, trekker Lackners enhet inn rammene inn i beholderen, som deretter fylles med vann. Gassen kan deretter samles opp og brukes til andre formål, og prosessen kan starte på nytt.
Lackner og hans kolleger ved Arizona State Universitys senter for negative karbonutslipp har bygget en enkel maskin med et stort formål: å fange og resirkulere karbondioksid for å lette effektene av klimaendringer. Han ser for seg skoger av dem som strekker seg over landsbygda og suger opp milliarder av tonn av det fra atmosfæren.
Lackner, 66, med vikende sølvhår, har nå jobbet med problemet i to tiår. I 1999, som partikkelfysiker ved Los Alamos National Laboratory, skrev han den første vitenskapelige artikkelen som undersøkte muligheten for å bekjempe klimaendringer ved å trekke karbondioksid ut av luften. Han var en ensom stemme i årevis. Men en voksende mengde har kommet til hans tankegang mens verden sliter med å kutte klimautslippene raskt nok til å forhindre katastrofal oppvarming. Lackners arbeid har bidratt til å inspirere en håndfull startups med direkte luftfangst, inkludert en av hans egne, og en voksende mengde vitenskapelig litteratur. Det er vanskelig å tenke på et annet felt som er så mye et produkt av en enkelt persons tenkning og talsmann, sier David Keith, en Harvard-professor som var med på å grunnlegge en annen av disse oppstartene, Carbon Engineering. Klaus var sentral i argumentasjonen om at [direkte luftfangst] kunne utvikles i en skala som er relevant for karbon-klimaproblemet.
Ingen, inkludert Lackner, vet egentlig om ordningen vil fungere. Kjemien er lett nok. Men kan vi virkelig konstruere i nærheten av nok karbonfjerningsmaskiner til å gjøre et inngrep i klimaendringene? Hvem skal betale for dem? Og hva skal vi med all karbondioksidet de samler opp?
Den siste prototypen utfolder seg for å ta karbon fra luften. Klaus Lackner var pioner innen direkte luftfangst. Spencer Lowell
Lackner erkjenner lett det ukjente, men mener at jo billigere prosessen blir, jo mer gjennomførbar blir den. Hvis jeg forteller deg: 'Du kan løse karbonproblemet for 1000 dollar tonnet,' sier Lackner. Men hvis det er $5 tonnet, eller $1 tonnet, vil vi si: 'Hvorfor har vi ikke fikset det ennå?'
Begrenser alternativene våre
Konsentrasjonen av karbondioksid i atmosfæren nærmer seg 410 deler per million. Det har allerede drevet globale temperaturer nesten 1 ˚C over førindustrielt nivå og intensivert tørke, skogbranner og andre naturkatastrofer. Disse farene vil bare øke ettersom utslippene fortsetter å øke.
Noen vitenskapelige kritikere fant Lackners anslag ikke bare feil, men farlige. Et par kritiske papirer i 2011 hørtes for mange ut som et dødsbud for direkte luftfangst. Lackner var uforferdet.
Den siste vurderingen fra FNs mellomstatlige panel for klimaendringer fant at det ikke er noen måte å begrense eller returnere global oppvarming til 1,5 ˚C uten å fjerne et sted mellom 100 milliarder og en billion tonn karbondioksid innen slutten av århundret. I den høye enden betyr det å reversere nesten tre tiår med globale utslipp med dagens hastighet.
Det er en håndfull måter å trekke karbondioksid ut av atmosfæren. De inkluderer å plante mange trær, gjenopprette gressletter og andre områder som naturlig holder karbon i jord, og bruke karbondioksid-sugende planter og andre former for biomasse som drivstoffkilde, men fange opp eventuelle utslipp når de brukes (en prosess kjent som biomasse). -energi med karbonfangst og -lagring).
Men en rapport fra US National Academies i oktober fant at disse tilnærmingene alene sannsynligvis ikke vil være nok til å forhindre 2˚C oppvarming – i hvert fall ikke hvis vi ønsker å spise. Det er fordi mengden land som kreves for å fange så mye karbondioksid vil komme på bekostning av en enorm mengde landbruksmatproduksjon.
Et nærbilde av de karbonfangende materialene i en gresslignende konfigurasjon, en tidligere design som frigjør karbondioksid når den plasseres i et drivhus. Spencer Lowell
Appellen til direkte luftfangstenheter som de Lackner og andre utvikler er at de kan suge ut samme mengde karbondioksid på langt mindre land. Det store problemet er at det akkurat nå er mye billigere å plante et tre. Med dagens pris på rundt 600 dollar per tonn, vil å fange en billion tonn løpe rundt 600 billioner dollar, mer enn syv ganger verdens årlige BNP.
I en artikkel i fjor sommer beregnet Harvards Keith at det direkte luftfangstsystemet han hjalp til med å designe til slutt kunne koste mindre enn 100 dollar tonnet i full skala. Carbon Engineering, basert i British Columbia, er i ferd med å utvide sitt pilotanlegg for å øke produksjonen av syntetisk brensel, skapt ved å kombinere det fangede karbondioksidet med hydrogen. Disse vil igjen bli konvertert til former for diesel og jetdrivstoff som anses som karbonnøytrale, siden de ikke krever å grave opp ekstra fossilt brensel.
Hvis Keiths metode kan fange karbondioksid for 100 dollar per tonn, kan disse syntetiske drivstoffene selges lønnsomt i markeder med støtte fra offentlig politikk, som California, med sine standarder for fornybart drivstoff, eller EU, under det oppdaterte direktivet om fornybar energi. Håpet er at denne typen tidlige muligheter vil bidra til å skalere opp teknologien, redusere kostnadene ytterligere og åpne flere markeder.
Andre startups, inkludert Sveits-baserte Climeworks og Global Thermostat of New York, tror de kan oppnå lignende eller enda lavere kostnader. De utforsker markeder som brusindustrien og drivhus, som bruker luft beriket med karbondioksid for å gjødsle planter.
Å selge karbondioksid er imidlertid ikke et enkelt forslag.
Den globale etterspørselen er relativt liten: i størrelsesorden noen få hundre millioner tonn per år, en brøkdel av de titalls milliarder som til slutt må fjernes årlig, ifølge National Academies studie. Dessuten er det meste av etterspørselen etter økt oljeutvinning, en teknikk som tvinger komprimert karbondioksid inn i brønner for å frigjøre de siste dråpene med olje, noe som bare gjør klimaproblemet verre.
Et kritisk spørsmål for karbonfangst-startupene er hvor mye markedet for karbondioksid kan vokse. Dusinvis av virksomheter utforsker nye måter å sette det i gang. De inkluderer California-baserte Opus12, som bruker karbondioksid til å produsere kjemikalier og polymerer, og CarbonCure of Nova Scotia, som samarbeider med mer enn 100 betongprodusenter for å omdanne karbondioksid til kalsiumkarbonat som blir fanget i betongen når den stivner.
En rapport fra 2016 fra Global CO2 Initiative anslo at markedet for produkter som kan bruke karbondioksid – inkludert flytende brensler, polymerer, metanol og betong – kan nå 800 milliarder dollar innen 2030. Disse industriene kan bruke rundt 7 milliarder tonn pr. år – omtrent 15 % av de årlige globale utslippene.
Slike anslag er imidlertid ekstremt optimistiske. Og selv om en så enorm transformasjon av flere sektorer faktisk skjer, vil det fortsatt etterlate enorme mengder fanget karbondioksid som må lagres permanent under jorden.
De hundrevis av polymerstrimlene danner en slags seil som griper karbondioksidmolekyler mens vinden blåser luft gjennom enheten. Lackner ser gjennom en tidlig modell av en luftfangstenhet, med karbonfangende materialer formet til et rutenett. Spencer Lowell
Det kommer bare til å skje hvis samfunnet bestemmer seg for å betale for det, og noen er skeptiske til at vi noen gang vil gjøre det. Å fange karbondioksid ut av luften – noe som betyr å plukke et enkelt molekyl blant nesten 2500 andre – er en av de mest energikrevende og kostbare måtene vi kunne tenke oss å takle klimaendringer på. Direkte luftfangst er dyrere enn å unngå utslipp, men akkurat nå er vi ikke engang villige til å bruke de ekstra pengene for å gjøre det, sier Ken Caldeira, en klimaforsker ved Carnegie Institution. Så ideen om at vi skal komme til negative utslipp i sivilisasjonsskala gjennom luftfangst, virker for meg bare som en fantasi.
Roboter som lager roboter
En sommernatt i 1992, mens Lackner var forsker ved Los Alamos National Laboratory, tok han og en annen partikkelfysiker en øl og klaget over mangelen på store, dristige ideer i vitenskapen. En eller to drinker senere hadde de en av sine egne: Hva ville blitt mulig hvis maskiner kunne bygge maskiner? Hvor store og raske kunne du produsere ting?
De skjønte raskt at den eneste måten ordningen ville fungere på er hvis du designet roboter som gravde opp alle sine egne råvarer fra skitt, konstruerte solcellepaneler for å drive prosessen – og laget stadig flere kopier av seg selv.
Neste morgen bestemte Lackner og vennen hans, Christopher Wendt fra University of Wisconsin–Madison, at de hadde en idé verdt å utforske. De publiserte til slutt en artikkel som utarbeidet regnestykket og utforsket flere applikasjoner, inkludert selvreplikerende roboter som kunne fange enorme mengder karbondioksid og konvertere det til karbonatbergart.
Mitt argument har alltid vært at vi må være passive, sier Lackner. Vi ønsker å være et tre som står i vinden og få CO2 ført til oss.
Robotarmadaen, solcellepaneler, karbonkonverteringsmaskiner og steinhauger ville alle vokse eksponentielt og nå kontinental størrelse på mindre enn et tiår, konkluderte avisen. Konvertering av 20 % av karbondioksidet i atmosfæren ville generere et lag med stein 50 centimeter tykt som dekker en million kvadratkilometer (390 000 kvadrat miles) – et område på størrelse med Egypt.
Problemet er selvfølgelig at selvreplikerende maskiner ikke eksisterer. Lackner gikk videre fra den delen av planen, og fokuserte kort på solenergi som erstatning for fossilt brensel. Men jo mer han studerte problemet, desto mer trodde han at fornybare kilder ville slite med å konkurrere med prisen, overfloden og energitettheten til kull, olje og bensin.
Dette antydet for meg at fossilt brenselbasert kraft ikke bare vil velte og dø, sier han. Men kanskje hvis karbonfjerningsteknologier var billige nok, mente han, kunne du tvinge leverandører av fossilt brensel til å rydde opp etter seg.
Noen år senere publiserte Lackner en artikkel med tittelen Carbon Dioxide Extraction from Air: Is It an Option? Han hevdet at det var teknisk mulig og kan være mulig for så lite som $15 tonnet. (Han mener nå at prisgulvet sannsynligvis er mellom $30 og $50 per tonn.)
I 2001 flyttet Lackner til Columbia University, hvor han var med på å grunnlegge Global Research Technologies, den første innsatsen for å kommersialisere direkte luftfangst. Gary Comer, grunnlegger av kles- og møbelselskapet Lands’ End, ga selskapet 8 millioner dollar av det Lackner beskriver som eventyrkapital, ikke risikokapital.
Selskapet bygde en liten prototype, men gikk snart tom for penger. En gruppe investorer kjøpte den kontrollerende eierandelen, flyttet den til San Francisco og ga den nytt navn til Kilimanjaro Energy. Lackner fungerte som rådgiver og styremedlem. Men den stengte stille dørene etter å ha unnlatt å skaffe mer penger.
Til tross for disse feilene fortsatte Lackner å prøve å finne ut hvordan man kunne gjøre luftfangst billig og effektivt. Han har publisert mer enn 100 vitenskapelige artikler og redaksjoner om emnet, og søkt om mer enn to dusin patenter.
Noen vitenskapelige kritikere fant imidlertid at Lackners anslag ikke bare var feil, men også farlige. De fryktet at å hevde direkte luftfangst kunne gjøres billig og enkelt ville redusere presset for å kutte utslippene. I 2011 konkluderte et par studier med at teknologien ville koste mellom $600 og $1000 tonnet.
Howard Herzog, en seniorforsker ved MIT Energy Initiative, som var medforfatter av en av studiene, tok det ekstra skrittet å antyde at noen leverandører av teknologien var slangeoljeselgere. I et intervju i fjor fortalte Herzog meg at han hovedsakelig snakket om Lackner. Det var han som virkelig var der ute, sier han.
Mange leser de to avisenes konklusjoner som et dødsbud for direkte luftfangst. Lackner stod fast og sa til tidsskriftet Nature etter at den første av studiene ble publisert: De beviste at en spesifikk måte å fange karbondioksid fra luft på er dyr. Hvis du studerer pingviner, kan du hoppe til konklusjonen at fugler ikke kan fly.
Spencer Lowell
I 2014 etablerte han og hans medgrunnlegger av Global Research Technologies, Allen Wright, Center for Negative Carbon Emissions i Arizona State, hvor de har fortsatt å prøve å få sin egen nyfødte til å fly.
Planting av syntetisk skog
I hjertet av Center for Negative Carbon Emissions design er en spesiell type kommersielt tilgjengelig anionbytterharpiks. Når vinden frakter karbondioksid i luften over disse polymerstrimlene, binder negativt ladede ioner seg til gassmolekylene og omdanner dem til bikarbonat - hovedforbindelsen i natron og syrenøytraliserende midler.
Maskinen trekker seg deretter tilbake, trekker de mettede strimlene tilbake i beholderen og pumper den full av vann. Vannet begynner å omdanne bikarbonatmolekylene til karbonationer.
Når vannet renner bort, blir disse forbindelsene ustabile og blir tilbake til karbondioksid i luften i beholderen. Den nå karbondioksidrike luften kan deretter suges ut gjennom et rør og inn i et tilstøtende sett med tanker.
Siden karbondioksid er relativt fortynnet i luften, bruker de fleste andre direkte fangstmetoder store vifter for å blåse luft over bindingsmaterialene for å fange mer av gassen. De bruker deretter varme for å drive de påfølgende reaksjonene som frigjør karbondioksidet. Begge disse trinnene bruker mer energi. I kontrast, sier Lackner, krever hans og Wrights tilnærming bare litt elektrisitet for å forlenge og trekke inn maskinen, pumpe vannet og suge ut luften.
Mitt argument har alltid vært at vi må være passive, sier Lackner. Vi ønsker å være et tre som står i vinden og få CO2 ført til oss.
Men det er store ulemper med denne metoden. Det fungerer bare når vinden blåser og gir mening bare i tørre områder, siden fuktighet lar karbondioksidet slippe ut. Dessuten er konsentrasjonen av fanget karbon i den resulterende gassen mindre enn 5 %, sammenlignet med rundt 98 % fra et Carbon Engineering- eller Climeworks-anlegg.
Et kritisk spørsmål for oppstart av karbonfangst er hvor mye markedet for karbondioksid kan vokse. Dusinvis av virksomheter utforsker nye måter å sette det i gang.
Det lave nivået er greit for gjødsling av planter i drivhus. Men det er et lite marked, og Lackner har flottere design.
Han ser for seg tusenvis av disse maskinene som plukker karbondioksid fra himmelen i en tørr og varm del av verden, mens tilstøtende solcellepaneler driver en elektrolyseprosess som trekker ut hydrogen fra vann. Karbondioksidet og hydrogenet kan deretter kombineres på stedet for å produsere tusenvis av fat om dagen med syntetisk drivstoff, som kan selges for oppvarming eller transport, eller brukes til å mate det elektriske nettet når fornybar energi som vind- og solflagg.
Den planen byr imidlertid på flere utfordringer. Elektrolyse er fortsatt veldig dyrt. Og de må komprimere karbondioksidet til den nødvendige konsentrasjonen mens de fjerner vanndamp, nitrogen og oksygen.
Det kan gjøres, men det kan øke kostnadene og energibehovet betydelig. Dette er et stort, viktig stykke som han glir litt over, sier Jennifer Wilcox, professor ved Worcester Polytechnic Institute og medforfatter av National Academies-rapporten.
Noen mener at Lackners styrker som teoretiker og storbildet fyr ikke har tjent ham like godt i å oversette disse ideene til de nødvendige fremskrittene innen materialvitenskap og kjemi. Spesielt er prosjektet Center for Negative Carbon Emissions langt etter Carbon Engineering, Climeworks og Global Thermostat, som samler kapital, ansetter ansatte og bygger demonstrasjonsanlegg om ikke kommersiell skala.
Men Lackner er fortsatt sikker på at tilnærmingen hans vil være rimeligere enn konkurrerende. Jeg kan legge det opp enhetsprosess for enhetsprosess, og i form av første prinsipper er vi litt billigere på hvert trinn, sier han.
Dype problemer
Hvordan føler Lackner selv om teknologiens utsikter mer enn to tiår etter å ha startet denne forskningsveien? Det er ikke et enkelt svar. Lackner gir egentlig ikke enkle svar. Under en spasertur på tvers av universitetets palmekantede campus i Tempe, sier han at han fortsatt er sikker på at direkte luftfangst er mulig og tror det kan bli mye billigere hvis det er i stand til å nå kommersiell skala.
Men jeg er mindre optimistisk til at vi har politisk vilje til å gå gjennom den terskelen, sier han.
Gitt de høye tidlige kostnadene og begrensede markedene, mener han at teknologien vil trenge betydelig statlig finansiering eller stramme reguleringer for å bli bredt vedtatt – og mer statlig støtte for å dekke kostnadene ved å fange og begrave mesteparten av karbondioksidet som ikke kan brukes . Han mener vi må behandle karbondioksid som kloakk, og krever at forbrukere eller selskaper betaler for innsamling og avhending, enten i skatter eller avgifter.
Men etter flere tiår med relativt lite politisk handling mot klimaendringer, og hard offentlig motstand mot karbonavgifter, frykter han at verden ikke kommer til å komme til den måten å tenke på før lidelsen fra klimakatastrofer blir for forferdelig til å ignorere.
Det han er sikker på, etter å ha brukt mer tid enn noen andre på å undre seg over karbonfjerning, er at vi kommer til å trenge det. Jeg er den første til å innrømme at luftfangst ikke er bevist - og det er absolutt ikke bevist i skala, sier Lackner. Men vi er i dype problemer hvis vi ikke kan finne ut av det.