Dvě desetiletí jednoho muže vysávat skleníkové plyny z oblohy

Velký kovový kontejner v laboratoři Klause Lacknera nevypadá, že by mohl zachránit planetu. Nejvíce se podobá popelnici – což tak trochu je.

Zatímco Lackner přihlíží s rukama v kapsách svých vylisovaných khaki kalhot, stroj se začíná transformovat. Z útrob nádoby vystupují tři kovové rámy ve tvaru matrace, které se rozvinou jako harmonika, když se natahují ke stropu.

Tento příběh byl součástí našeho vydání z března 2019

• Viz zbytek čísla
• předplatit

Každý rám obsahuje stovky bílých polymerových proužků naplněných pryskyřicemi, které se vážou s molekulami oxidu uhličitého. Pásy tvoří jakousi plachtu, která je navržena tak, aby vytrhla skleníkové plyny ze vzduchu, když vítr fouká skrz zařízení.

Podstatné je, že stejný materiál uvolňuje oxid uhličitý, když je vlhký. Aby se to stalo, Lacknerovo zařízení stáhne své rámy do jejich nádoby, která se pak naplní vodou. Plyn lze dále shromáždit a použít k jiným účelům a proces může začít znovu.

Lackner a jeho kolegové z Centra pro negativní uhlíkové emise na Arizonské státní univerzitě postavili jednoduchý stroj s velkým účelem: zachycovat a recyklovat oxid uhličitý, aby se zmírnily dopady změny klimatu. Představuje si jejich lesy, které se táhnou krajinou a vysávají z atmosféry miliardy tun.

Šestašedesátiletý Lackner s ustupujícími stříbrnými vlasy na tomto problému pracuje již dvě desetiletí. V roce 1999 jako částicový fyzik v Los Alamos National Laboratory napsal první vědeckou práci zkoumající proveditelnost boje se změnou klimatu vytahováním oxidu uhličitého ze vzduchu. Jeho hlas byl po léta osamělý. Ale čím dál tím více lidí si uvědomilo jeho myšlenky, protože svět se snaží snížit klimatické emise dostatečně rychle, aby zabránil katastrofickému oteplování. Lacknerova práce pomohla inspirovat hrstku startupů s přímým zachycováním vzduchu, včetně jednoho z jeho vlastních, a rostoucí množství vědecké literatury. Je těžké si představit jiný obor, který je do značné míry produktem myšlení a obhajoby jednoho člověka, říká David Keith, profesor Harvardu, který spoluzaložil další z těchto startupů, Carbon Engineering. Klaus byl stěžejní při předkládání argumentu, že [přímé zachycování vzduchu] by mohlo být vyvinuto v měřítku relevantním pro problém uhlíku a klimatu.

Nikdo, včetně Lacknera, skutečně neví, zda bude schéma fungovat. Chemie je dost snadná. Dokážeme ale skutečně postavit kdekoli v blízkosti dostatek strojů na odstraňování uhlíku, které by způsobily změnu klimatu? Kdo je zaplatí? A co budeme dělat s veškerým oxidem uhličitým, který nasbírají?

Nejnovější prototyp se rozvine, aby sebral uhlík ze vzduchu. Klaus Lackner byl průkopníkem v oblasti přímého zachycení vzduchu. Spencer Lowell

Lackner ochotně uznává neznámé, ale věří, že čím levnější je proces, tím je proveditelnější. Když vám řeknu: ‚Mohli byste vyřešit problém uhlíku za 1000 dolarů za tunu‘, řekneme: ‚Změna klimatu je podvod,‘ říká Lackner. Ale pokud je to 5 USD za tunu nebo 1 USD za tunu, řekneme: ‚Proč jsme to ještě neopravili?‘

Zúžení našich možností

Koncentrace oxidu uhličitého v atmosféře se blíží 410 ppm. To již vyhnalo globální teploty téměř o 1 ˚C nad úroveň před průmyslovou revolucí a zesílilo sucha, lesní požáry a další přírodní katastrofy. Tato nebezpečí se budou jen prohlubovat, jak budou emise nadále stoupat.

Někteří vědečtí kritici považovali Lacknerovy projekce nejen za špatné, ale také za nebezpečné. Dvojice kritických prací z roku 2011 zněla pro mnohé jako umíráček pro přímé zachycení vzduchu. Lackner se nenechal zastrašit.

Nejnovější hodnocení Mezivládního panelu pro změnu klimatu OSN zjistilo, že neexistuje způsob, jak omezit nebo vrátit globální oteplování na 1,5 ˚C, aniž bychom do konce století odstranili někde mezi 100 miliardami a bilionem metrických tun oxidu uhličitého. Na nejvyšší úrovni to znamená zvrátit téměř tři desetiletí globálních emisí současným tempem.

Existuje několik způsobů, jak získat oxid uhličitý z atmosféry. Zahrnují výsadbu spousty stromů, obnovu pastvin a dalších oblastí, které přirozeně zadržují uhlík v půdě, a používání rostlin nasávajících oxid uhličitý a jiných forem biomasy jako zdroje paliva, ale zachycování jakýchkoli emisí při jejich použití (proces známý jako bio -energie se zachycováním a ukládáním uhlíku).

Zpráva Národní akademie USA z října však zjistila, že tyto přístupy samy o sobě pravděpodobně nebudou stačit k zabránění oteplení o 2 °C – alespoň ne, pokud chceme jíst. Je to proto, že množství půdy potřebné k zachycení takového množství oxidu uhličitého by stálo za cenu obrovského množství zemědělské produkce potravin.

Detailní pohled na materiály zachycující uhlík v konfiguraci podobné trávě, dřívější design, který při umístění do skleníku uvolňuje oxid uhličitý. Spencer Lowell

Přitažlivost zařízení pro přímé zachycování vzduchu, jako jsou ta, která vyvíjí Lackner a další, spočívá v tom, že mohou vysát stejné množství oxidu uhličitého na mnohem menším území. Velkým problémem je, že právě teď je mnohem levnější zasadit strom. Při současných nákladech kolem 600 dolarů za tunu by zachycení bilionu tun znamenalo přibližně 600 bilionů dolarů, což je více než sedminásobek světového ročního HDP.

V dokumentu z loňského léta Keith z Harvardu vypočítal, že systém přímého zachycování vzduchu, který pomáhal navrhnout, by mohl nakonec stát méně než 100 dolarů za tunu v plném rozsahu. Carbon Engineering se sídlem v Britské Kolumbii je v procesu rozšiřování svého pilotního závodu, aby zvýšil výrobu syntetických paliv, vytvořených kombinací zachyceného oxidu uhličitého s vodíkem. Ty se zase přemění na formy nafty a leteckého paliva, které jsou považovány za uhlíkově neutrální, protože nevyžadují těžbu dalších fosilních paliv.

Pokud Keithova metoda dokáže zachytit oxid uhličitý za 100 dolarů za tunu, mohla by se tato syntetická paliva prodávat se ziskem na trzích s podporou veřejné politiky, jako je Kalifornie s normami pro obnovitelná paliva nebo Evropská unie podle aktualizované směrnice o obnovitelné energii. Doufáme, že tyto první příležitosti pomohou rozšířit technologii, dále snížit náklady a otevřít další trhy.

Jiné startupy, včetně švýcarských Climeworks a Global Thermostat z New Yorku, si myslí, že mohou dosáhnout podobných nebo dokonce nižších nákladů. Zkoumají trhy, jako je průmysl výroby sody a skleníky, které využívají vzduch obohacený oxidem uhličitým k hnojení rostlin.

Prodej oxidu uhličitého však není snadný návrh.

Globální poptávka je relativně malá: řádově několik set milionů tun ročně, zlomek z desítek miliard, které je nakonec třeba ročně odstranit, uvádí studie National Academies. Navíc většina tohoto požadavku je po lepší těžbě ropy, což je technika, která tlačí stlačený oxid uhličitý do vrtů, aby se uvolnily poslední kapky ropy, což problém klimatu jen zhoršuje.

Zásadní otázkou pro začínající podniky zachycující uhlík je, jak moc by mohl růst trh s oxidem uhličitým. Desítky podniků hledají nové způsoby, jak to uvést do provozu. Patří mezi ně kalifornský Opus12, který používá oxid uhličitý k výrobě chemikálií a polymerů, a CarbonCure z Nova Scotia, který spolupracuje s více než 100 výrobci betonu na přeměně oxidu uhličitého na uhličitan vápenatý, který se při tuhnutí zachytí v betonu.

Zpráva Global CO2 Initiative z roku 2016 odhaduje, že trh s produkty, které by mohly využívat oxid uhličitý – včetně kapalných paliv, polymerů, metanolu a betonu – by mohl do roku 2030 dosáhnout 800 miliard dolarů. Tato odvětví by mohla spotřebovat přibližně 7 miliard metrických rok — asi 15 % ročních celosvětových emisí.

Takové projekce jsou však extrémně optimistické. A i kdyby skutečně došlo k tak rozsáhlé transformaci více sektorů, stále zanechá obrovské množství zachyceného oxidu uhličitého, který bude nutné trvale ukládat pod zem.

Stovky polymerových proužků tvoří jakousi plachtu, která zachycuje molekuly oxidu uhličitého, když vítr vhání vzduch skrz zařízení. Lackner prozkoumává raný model zařízení na zachycování vzduchu s materiály zachycujícími uhlík vytvarované do mřížky. Spencer Lowell

To se stane pouze tehdy, pokud se společnost rozhodne za to zaplatit, a někteří jsou skeptičtí, že to někdy uděláme. Zachycování oxidu uhličitého ze vzduchu – což znamená vytržení jediné molekuly z téměř 2 500 dalších – je jedním z energeticky nejnáročnějších a nejdražších způsobů, jak se můžeme vypořádat se změnou klimatu. Přímé zachycování vzduchu je dražší než zamezení emisím, ale právě teď nejsme ochotni za to utratit další peníze, říká Ken Caldeira, klimatický vědec z Carnegie Institution. Takže představa, že se prostřednictvím zachycení vzduchu dostaneme k negativním emisím v civilizačním měřítku, mi připadá jen jako fantazie.

Roboti vyrábějící roboty

Jedné letní noci v roce 1992, když byl Lackner výzkumníkem v Los Alamos National Laboratory, spolu s kolegou částicovým fyzikem popíjeli pivo a stěžovali si na nedostatek velkých a odvážných nápadů ve vědě. O jeden nebo dva drinky později si dali jeden svůj vlastní: Co by se stalo možným, kdyby stroje dokázaly stavět stroje? Jak velké a rychle byste mohli vyrábět věci?

Rychle si uvědomili, že jediný způsob, jak by toto schéma fungovalo, je, kdybyste navrhli roboty, kteří vykopali všechny jejich vlastní suroviny z hlíny, postavili solární panely k napájení procesu – a vytvořili stále více kopií sebe sama.

Druhý den ráno se Lackner a jeho přítel Christopher Wendt z University of Wisconsin-Madison rozhodli, že mají nápad, který stojí za to prozkoumat. Nakonec publikovali článek, který vypracoval matematiku a zkoumal několik aplikací, včetně samoreprodukujících se robotů, které by mohly zachytit obrovské množství oxidu uhličitého a přeměnit ho na uhličitanovou horninu.

Můj argument vždy byl, že musíme být pasivní, říká Lackner. Chceme být stromem stojícím ve větru a nechat si nést CO2 k nám.

Armáda robotů, solární pole, stroje na přeměnu uhlíku a hromady kamení, to vše poroste exponenciálně a dosáhne kontinentální velikosti za méně než deset let, uzavřel list. Přeměna 20 % oxidu uhličitého v atmosféře by vytvořila vrstvu horniny o tloušťce 50 centimetrů (20 palců) pokrývající milion čtverečních kilometrů (390 000 čtverečních mil) – oblast o velikosti Egypta.

Háček je samozřejmě v tom, že samoreprodukující se stroje neexistují. Lackner přešel od této části plánu a krátce se zaměřil na solární energii jako náhradu za fosilní paliva. Čím více však problém studoval, tím více věřil, že obnovitelné zdroje budou bojovat s cenou, množstvím a hustotou energie uhlí, ropy a benzínu.

To mi naznačilo, že energie založená na fosilních palivech se jen tak nepřevalí a nezemře, říká. Ale možná, že kdyby technologie odstraňování uhlíku byly dostatečně levné, pomyslel si, mohli byste donutit poskytovatele fosilních paliv, aby po sobě uklidili.

O několik let později Lackner publikoval článek s názvem Extrakce oxidu uhličitého ze vzduchu: Je to možnost? Tvrdil, že je to technicky proveditelné a mohlo by to být možné za pouhých 15 dolarů za tunu. (Nyní se domnívá, že minimální cena je pravděpodobně mezi 30 a 50 dolary za tunu.)

V roce 2001 se Lackner přestěhoval na Kolumbijskou univerzitu, kde spoluzaložil Global Research Technologies, první snahu o komerční využití přímého zachycování vzduchu. Gary Comer, zakladatel oděvní a nábytkářské společnosti Lands’ End, předal společnosti 8 milionů dolarů z toho, co Lackner popisuje jako dobrodružný kapitál, nikoli rizikový kapitál.

Společnost postavila malý prototyp, ale brzy došly peníze. Skupina investorů koupila kontrolní podíl, přesunula jej do San Francisca a přejmenovala jej na Kilimanjaro Energy. Lackner působil jako poradce a člen představenstva. Poté, co se nepodařilo získat další peníze, tiše zavřela své dveře.

Navzdory těmto neúspěchům se Lackner nadále pokoušel přijít na to, jak zachytit vzduch levně a efektivně. Publikoval více než 100 vědeckých prací a úvodníků na toto téma a požádal o více než dvě desítky patentů.

Někteří vědečtí kritici však shledali Lacknerovy projekce nejen nesprávné, ale také nebezpečné. Obávali se, že tvrzení, že přímé zachycování vzduchu lze provést levně a snadno, by snížilo tlak na snižování emisí. V roce 2011 došla dvojice studií k závěru, že tato technologie bude stát mezi 600 a 1000 dolary za tunu.

Howard Herzog, vedoucí výzkumný pracovník MIT Energy Initiative, který je spoluautorem jedné ze studií, učinil další krok a navrhl, že někteří dodavatelé technologie byli prodejci hadího oleje. V loňském rozhovoru mi Herzog řekl, že mluvil hlavně o Lacknerovi. Říká, že to byl on, kdo tam skutečně byl.

Mnozí četli závěry obou novin jako umíráček pro přímé zachycení vzduchu. Lackner stál pevně a řekl časopisu Nature po zveřejnění první ze studií: Prokázali, že jeden konkrétní způsob, jak zachytit oxid uhličitý ze vzduchu, je drahý. Pokud studujete tučňáky, můžete uskočit k závěru, že ptáci nemohou létat.

Spencer Lowell

V roce 2014 on a jeho spoluzakladatel Global Research Technologies, Allen Wright, založili Centrum pro negativní uhlíkové emise ve státě Arizona, kde se nadále pokoušeli přimět své vlastní mláďata k letu.

Výsadba syntetických lesů

Srdcem návrhu Centra pro negativní uhlíkové emise je konkrétní typ komerčně dostupné aniontoměničové pryskyřice. Jak vítr unáší oxid uhličitý vzduchem přes tyto polymerové proužky, záporně nabité ionty se vážou s molekulami plynu a přeměňují je na hydrogenuhličitan – hlavní sloučeninu jedlé sody a antacidů.

Stroj se poté stáhne, stáhne tyto nasycené proužky zpět do nádoby a načerpá ji plnou vody. Voda začne přeměňovat molekuly hydrogenuhličitanu na uhličitanové ionty.

Jak voda odtéká, tyto sloučeniny se stávají nestabilními a ve vzduchu v nádobě se mění zpět na oxid uhličitý. Vzduch nyní bohatý na oxid uhličitý pak může být vysáván trubicí a do sousední sady nádrží.

Protože je oxid uhličitý ve vzduchu relativně zředěný, většina ostatních přístupů k přímému zachycování využívá velké ventilátory, které foukají vzduch přes pojivové materiály, aby zachytily více plynu. Poté využívají teplo k řízení následných reakcí, které uvolňují oxid uhličitý. Oba tyto kroky spotřebují více energie. Naproti tomu, jak říká Lackner, jeho a Wrightův přístup vyžaduje jen trochu elektřiny k vysouvání a zatahování stroje, čerpání vody a vysávání vzduchu.

Můj argument vždy byl, že musíme být pasivní, říká Lackner. Chceme být stromem stojícím ve větru a nechat si nést CO2 k nám.

Ale tato metoda má velké nevýhody. Funguje pouze tehdy, když fouká vítr a má smysl pouze v suchých oblastech, protože vlhkost umožňuje unikání oxidu uhličitého. Kromě toho je koncentrace zachyceného uhlíku ve výsledném plynu menší než 5 % ve srovnání s přibližně 98 % ze zařízení Carbon Engineering nebo Climeworks.

Zásadní otázkou pro začínající podniky zachycující uhlík je, jak moc by mohl růst trh s oxidem uhličitým. Desítky podniků hledají nové způsoby, jak to uvést do provozu.

Tato nízká hladina je vhodná pro hnojení rostlin ve sklenících. Ale to je malý trh a Lackner má velkolepější návrhy.

Představuje si tisíce těchto strojů, které v nějaké suché a horké části světa odstraňují oxid uhličitý z oblohy, zatímco sousední solární panely řídí proces elektrolýzy, který extrahuje vodík z vody. Oxid uhličitý a vodík by pak mohly být na místě kombinovány za účelem výroby tisíců barelů syntetického paliva denně, které by bylo možné prodat k vytápění nebo přepravě nebo použít k napájení elektrické sítě, když obnovitelné zdroje, jako je vítr a solární vlajka.

Tento plán však přináší několik problémů. Elektrolýza je stále velmi drahá. A museli by stlačit oxid uhličitý na potřebnou koncentraci a zároveň odstranit vodní páru, dusík a kyslík.

To lze provést, ale mohlo by to podstatně zvýšit náklady a spotřebu energie. Toto je velký, důležitý kus, který trochu přehlíží, říká Jennifer Wilcox, profesorka na Worcester Polytechnic Institute a spoluautorka zprávy National Academies.

Někteří se domnívají, že Lacknerovy přednosti jako teoretika a velkorysého chlapíka mu příliš neposloužily při převádění těchto myšlenek do nezbytného pokroku ve vědě o materiálech a chemii. Je pozoruhodné, že projekt Center for Negative Carbon Emissions výrazně zaostává za Carbon Engineering, Climeworks a Global Thermostat, které shromažďují kapitál, najímají zaměstnance a budují demonstrační zařízení, ne-li komerční.

Lackner si ale zůstává jistý, že jeho přístup bude levnější než konkurenční. Mohu to sestavit jednotkový proces po jednotkovém procesu a pokud jde o první principy, v každém kroku jsme o něco levnější, říká.

Hluboké potíže

Jak se sám Lackner cítí ohledně vyhlídek této technologie více než dvě desetiletí poté, co se vydal touto cestou výzkumu? Není to jednoduchá odpověď. Lackner ve skutečnosti nedává jednoduché odpovědi. Během procházky po univerzitním kampusu lemovaném palmami v Tempe říká, že si zůstává jistý, že přímé zachycení vzduchu je proveditelné, a věří, že by to mohlo být mnohem levnější, pokud bude schopno dosáhnout komerčního rozsahu.

Ale jsem méně optimistický, že máme politickou vůli projít tímto prahem, říká.

Vzhledem k vysokým počátečním nákladům a omezeným trhům se domnívá, že tato technologie bude vyžadovat značné vládní financování nebo přísná nařízení, aby byla široce přijata – a větší vládní podporu na pokrytí nákladů na zachycení a uložení většiny oxidu uhličitého, který nelze použít. . Myslí si, že s oxidem uhličitým budeme muset zacházet jako s odpadními vodami a vyžadovat, aby spotřebitelé nebo společnosti platili za jeho sběr a likvidaci, ať už na daních nebo poplatcích.

Ale po desetiletích relativně malých politických akcí v oblasti změny klimatu a prudkého odporu veřejnosti vůči uhlíkovým daním se obává, že svět nepřijde k takovému způsobu myšlení, dokud nebude utrpení klimatickými katastrofami příliš hrozné na to, aby je ignoroval.

Čím si je jistý, poté, co strávil více času než kdokoli jiný záhadami nad odstraňováním uhlíku, je, že to budeme potřebovat. Jsem první, kdo připouští, že zachycení vzduchu není prokázáno – a rozhodně není prokázáno v měřítku, říká Lackner. Ale jsme v hlubokém průšvihu, pokud na to nedokážeme přijít.

skrýt