De twee decennia durende zoektocht van één man om broeikasgas uit de lucht te zuigen

De grote metalen container in het laboratorium van Klaus Lackner lijkt de planeet niet te kunnen redden. Het lijkt het meest op een afvalcontainer - wat het ook is.

Terwijl Lackner toekijkt, handen in de zakken van zijn geperste khaki's, begint de machine te transformeren. Drie matrasvormige metalen frames rijzen op uit de ingewanden van de bak en ontvouwen zich als een accordeon terwijl ze zich naar het plafond uitstrekken.

Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van maart 2019

• Zie de rest van het nummer
• Abonneren

Elk frame bevat honderden witte polymeerstrips gevuld met harsen die zich binden met koolstofdioxidemoleculen. De strips vormen een soort zeil, ontworpen om het broeikasgas uit de lucht te rukken als de wind door het apparaat waait.

Cruciaal is dat datzelfde materiaal de koolstofdioxide afgeeft als het nat is. Om dat mogelijk te maken, trekt het apparaat van Lackner de frames in hun container, die zich vervolgens met water vult. Het gas kan vervolgens worden verzameld en voor andere doeleinden worden gebruikt, en het proces kan opnieuw beginnen.

Lackner en zijn collega's van het Center for Negative Carbon Emissions van de Arizona State University hebben een eenvoudige machine gebouwd met een groots doel: het opvangen en recyclen van koolstofdioxide om de effecten van klimaatverandering te verzachten. Hij stelt zich bossen voor die zich uitstrekken over het platteland en miljarden tonnen uit de atmosfeer opzuigen.

Lackner, 66, met terugtrekkend zilverhaar, werkt nu al twee decennia aan het probleem. In 1999 schreef hij als deeltjesfysicus aan het Los Alamos National Laboratory het eerste wetenschappelijke artikel waarin hij de haalbaarheid onderzocht van het bestrijden van klimaatverandering door koolstofdioxide uit de lucht te halen. Hij was jarenlang een eenzame stem. Maar een groeiende menigte is tot zijn denken gekomen terwijl de wereld worstelt om de klimaatemissies snel genoeg te verminderen om catastrofale opwarming te voorkomen. Het werk van Lackner heeft een handvol startups met directe luchtopname geïnspireerd, waaronder een van hemzelf, en een groeiend aantal wetenschappelijke literatuur. Het is moeilijk om een ​​ander vakgebied te bedenken dat zozeer het product is van het denken en de belangenbehartiging van één persoon, zegt David Keith, een professor aan Harvard die medeoprichter was van een van die startups, Carbon Engineering. Klaus speelde een cruciale rol bij het maken van het argument dat [directe luchtopvang] kan worden ontwikkeld op een schaal die relevant is voor het koolstofklimaatprobleem.

Niemand, ook Lackner niet, weet echt of de regeling zal werken. De chemie is eenvoudig genoeg. Maar kunnen we echt ergens in de buurt van genoeg machines voor het verwijderen van koolstof bouwen om klimaatverandering tegen te gaan? Wie gaat ze betalen? En wat gaan we doen met al het kooldioxide dat ze verzamelen?

Het nieuwste prototype ontvouwt zich om koolstof uit de lucht te grijpen. Klaus Lackner was een pionier op het gebied van directe luchtvangst. Spencer Lowell

Lackner erkent de onbekenden gemakkelijk, maar is van mening dat hoe goedkoper het proces wordt, hoe haalbaarder het wordt. Als ik je zeg: 'Je zou het koolstofprobleem kunnen oplossen voor $ 1.000 per ton', zullen we zeggen: 'Klimaatverandering is een hoax', zegt Lackner. Maar als het $ 5 per ton is, of $ 1 per ton, zeggen we: 'Waarom hebben we het nog niet opgelost?'

Onze opties beperken

De concentratie koolstofdioxide in de atmosfeer nadert de 410 delen per miljoen. Dat heeft de wereldwijde temperatuur al bijna 1 C boven het pre-industriële niveau gebracht en droogtes, bosbranden en andere natuurrampen verergerd. Die gevaren zullen alleen maar groter worden naarmate de uitstoot blijft stijgen.

Sommige wetenschappelijke critici vonden de projecties van Lackner niet alleen verkeerd, maar ook gevaarlijk. Een paar kritische papers in 2011 klonken voor velen als de doodsklok voor directe luchtopname. Lackner was onverschrokken.

Uit de laatste beoordeling van het Intergouvernementeel Panel over klimaatverandering van de VN blijkt dat er geen manier is om de opwarming van de aarde te beperken of terug te brengen tot 1,5 ˚C zonder tegen het einde van de eeuw ergens tussen de 100 miljard en een biljoen metrische ton koolstofdioxide te verwijderen. Aan de hoge kant betekent dat dat bijna drie decennia van wereldwijde emissies in het huidige tempo worden teruggedraaid.

Er zijn een handvol manieren om koolstofdioxide uit de atmosfeer te halen. Dit zijn onder meer het planten van veel bomen, het herstellen van graslanden en andere gebieden die van nature koolstof in de bodem bevatten, en het gebruik van kooldioxide-zuigende planten en andere vormen van biomassa als brandstof, maar het opvangen van eventuele emissies wanneer ze worden gebruikt (een proces dat bekend staat als bio -energie met afvang en opslag van koolstof).

Maar uit een rapport van de Amerikaanse National Academies in oktober bleek dat deze benaderingen alleen waarschijnlijk niet genoeg zullen zijn om een ​​opwarming van 2˚C te voorkomen, tenminste niet als we willen eten. Dat komt omdat de hoeveelheid land die nodig is om zoveel koolstofdioxide op te vangen, ten koste zou gaan van een enorme hoeveelheid landbouwvoedselproductie.

Een close-up van de koolstofvangende materialen in een grasachtige configuratie, een eerder ontwerp dat koolstofdioxide afgeeft wanneer het in een kas wordt geplaatst. Spencer Lowell

De aantrekkingskracht van apparaten voor het opvangen van rechtstreekse lucht, zoals die die Lackner en anderen ontwikkelen, is dat ze dezelfde hoeveelheid koolstofdioxide kunnen opzuigen op veel minder land. Het grote probleem is dat het op dit moment veel goedkoper is om een ​​boom te planten. Tegen de huidige kosten van ongeveer $ 600 per ton, zou het vangen van een biljoen ton ongeveer $ 600 biljoen opleveren, meer dan zeven keer het jaarlijkse BBP van de wereld.

In een paper van afgelopen zomer berekende Keith van Harvard dat het direct-air-capture-systeem dat hij hielp ontwerpen uiteindelijk minder dan $ 100 per ton zou kunnen kosten op volledige schaal. Carbon Engineering, gevestigd in British Columbia, is bezig zijn proeffabriek uit te breiden om de productie van synthetische brandstoffen te verhogen, die worden gecreëerd door het opgevangen koolstofdioxide te combineren met waterstof. Deze zullen op hun beurt worden omgezet in vormen van diesel en vliegtuigbrandstof die als koolstofneutraal worden beschouwd, omdat ze geen extra fossiele brandstoffen hoeven op te graven.

Als Keith's methode koolstofdioxide kan opvangen voor $ 100 per ton, zouden deze synthetische brandstoffen winstgevend kunnen worden verkocht in markten met overheidssteun, zoals Californië, met zijn normen voor hernieuwbare brandstof, of de Europese Unie, onder zijn bijgewerkte richtlijn voor hernieuwbare energie. De hoop is dat dit soort vroege kansen zullen helpen de technologie op te schalen, de kosten verder te verlagen en extra markten te openen.

Andere startups, waaronder het in Zwitserland gevestigde Climeworks en Global Thermostat of New York, denken dat ze vergelijkbare of zelfs lagere kosten kunnen realiseren. Ze verkennen markten zoals de frisdrankindustrie en kassen, die met kooldioxide verrijkte lucht gebruiken om planten te bemesten.

Het verkopen van kooldioxide is echter geen gemakkelijke propositie.

De wereldwijde vraag is relatief klein: in de orde van grootte van een paar honderd miljoen ton per jaar, een fractie van de tientallen miljarden die uiteindelijk jaarlijks moeten worden afgevoerd, zo blijkt uit het onderzoek van National Academies. Bovendien is het grootste deel van die vraag naar verbeterde oliewinning, een techniek die gecomprimeerde kooldioxide in putten dwingt om de laatste druppels olie vrij te maken, wat het klimaatprobleem alleen maar erger maakt.

Een cruciale vraag voor de start-ups met het opvangen van koolstof is hoeveel de markt voor koolstofdioxide zou kunnen groeien. Tientallen bedrijven onderzoeken nieuwe manieren om het te laten werken. Ze omvatten het in Californië gevestigde Opus12, dat koolstofdioxide gebruikt om chemicaliën en polymeren te produceren, en CarbonCure uit Nova Scotia, dat samenwerkt met meer dan 100 betonfabrikanten om koolstofdioxide om te zetten in calciumcarbonaat dat vast komt te zitten in het beton terwijl het ondergaat.

Een rapport uit 2016 van het Global CO2 Initiative schatte dat de markt voor producten die kooldioxide zouden kunnen gebruiken, waaronder vloeibare brandstoffen, polymeren, methanol en beton, tegen 2030 $ 800 miljard zou kunnen bereiken. Die industrieën zouden ongeveer 7 miljard ton per jaar kunnen verbruiken. jaar — ongeveer 15% van de jaarlijkse wereldwijde uitstoot.

Dergelijke prognoses zijn echter buitengewoon optimistisch. En zelfs als zo'n enorme transformatie van meerdere sectoren daadwerkelijk plaatsvindt, zullen er nog steeds enorme hoeveelheden opgevangen koolstofdioxide achterblijven die permanent ondergronds moeten worden opgeslagen.

De honderden polymeerstrips vormen een soort zeil dat kooldioxidemoleculen grijpt terwijl de wind lucht door het apparaat blaast. Lackner tuurt door een vroeg model van een luchtvangapparaat, waarbij de koolstofvangende materialen in een raster zijn gevormd. Spencer Lowell

Dat zal alleen gebeuren als de samenleving besluit ervoor te betalen, en sommigen zijn sceptisch dat we dat ooit zullen doen. Kooldioxide uit de lucht halen - wat betekent dat je een enkele molecuul uit bijna 2500 andere moet plukken - is een van de meest energie-intensieve en dure manieren waarop we kunnen dromen om met klimaatverandering om te gaan. Het direct opvangen van lucht is duurder dan het vermijden van uitstoot, maar op dit moment zijn we niet eens bereid om het extra geld daarvoor uit te geven, zegt Ken Caldeira, klimaatwetenschapper bij de Carnegie Institution. Dus het idee dat we negatieve emissies op beschavingsniveau zullen krijgen door luchtvangst, lijkt mij gewoon een fantasie.

Robots makende robots

Op een zomeravond in 1992, terwijl Lackner onderzoeker was aan het Los Alamos National Laboratory, dronken hij en een collega-deeltjesfysicus een biertje en klaagden over het gebrek aan grote, gedurfde ideeën in de wetenschap. Een of twee drankjes later hadden ze er zelf een: wat zou er mogelijk worden als machines machines konden bouwen? Hoe groot en snel kun je dingen maken?

Ze realiseerden zich al snel dat de enige manier waarop het plan zou werken, is als je robots ontwierp die al hun eigen grondstoffen uit vuil opgroeven, zonnepanelen bouwden om het proces aan te drijven - en steeds meer kopieën van zichzelf zouden maken.

De volgende ochtend besloten Lackner en zijn vriend, Christopher Wendt van de Universiteit van Wisconsin-Madison, dat ze een idee hadden dat het onderzoeken waard was. Ze publiceerden uiteindelijk een paper waarin ze de wiskunde uitwerkten en verschillende toepassingen verkenden, waaronder zelfreplicerende robots die enorme hoeveelheden koolstofdioxide konden opvangen en omzetten in carbonaatgesteente.

Mijn argument is altijd geweest dat we passief moeten zijn, zegt Lackner. We willen een boom zijn die in de wind staat en de CO2 op ons af laat komen.

De robotarmada, zonnepanelen, koolstofomzettende machines en stapels steen zouden allemaal exponentieel groeien en in minder dan tien jaar een continentale omvang bereiken, concludeerde de krant. Het omzetten van 20% van de koolstofdioxide in de atmosfeer zou een rotslaag van 50 centimeter (20 inch) dik genereren die een miljoen vierkante kilometer (390.000 vierkante mijl) beslaat - een gebied zo groot als Egypte.

Het probleem is natuurlijk dat zelfreplicerende machines niet bestaan. Lackner verliet dat deel van het plan en richtte zich kort op zonne-energie als vervanging voor fossiele brandstoffen. Maar hoe meer hij het probleem bestudeerde, hoe meer hij ging geloven dat hernieuwbare bronnen het moeilijk zouden hebben om te concurreren met de prijs, overvloed en energiedichtheid van kolen, olie en benzine.

Dit suggereerde me dat op fossiele brandstoffen gebaseerde energie niet zomaar zal omslaan en sterven, zegt hij. Maar als koolstofverwijderingstechnologieën goedkoop genoeg waren, dacht hij, zou je leveranciers van fossiele brandstoffen misschien kunnen dwingen om zelf op te ruimen.

Een paar jaar later publiceerde Lackner een paper met de titel Carbon Dioxide Extraction from Air: Is It an Option? Hij voerde aan dat het technisch haalbaar was en mogelijk al mogelijk was voor slechts $ 15 per ton. (Hij gelooft nu dat de prijsbodem waarschijnlijk tussen $ 30 en $ 50 per ton ligt.)

In 2001 verhuisde Lackner naar Columbia University, waar hij medeoprichter was van Global Research Technologies, de eerste poging om directe luchtafvang op de markt te brengen. Gary Comer, oprichter van het kleding- en meubelbedrijf Lands 'End, overhandigde het bedrijf $ 8 miljoen van wat Lackner beschrijft als avontuurkapitaal, geen risicokapitaal.

Het bedrijf bouwde een klein prototype maar had al snel geen geld meer. Een groep investeerders kocht het meerderheidsbelang, verhuisde het naar San Francisco en noemde het Kilimanjaro Energy. Lackner was adviseur en bestuurslid. Maar het sloot stilletjes zijn deuren nadat het er niet in was geslaagd meer geld in te zamelen.

Ondanks deze mislukkingen bleef Lackner proberen uit te vinden hoe luchtafvang goedkoop en efficiënt kon worden uitgevoerd. Hij heeft meer dan 100 wetenschappelijke artikelen en hoofdartikelen over het onderwerp gepubliceerd en heeft meer dan twee dozijn patenten aangevraagd.

Sommige wetenschappelijke critici vonden de projecties van Lackner echter niet alleen verkeerd, maar ook gevaarlijk. Ze vreesden dat het claimen van directe luchtvangst goedkoop en gemakkelijk zou kunnen worden gedaan om de druk om de uitstoot te verminderen zou verminderen. In 2011 concludeerden een paar onderzoeken dat de technologie tussen $ 600 en $ 1.000 per ton zou kosten.

Howard Herzog, een senior onderzoeker bij het MIT Energy Initiative, die co-auteur was van een van de onderzoeken, nam de extra stap om te suggereren dat sommige leveranciers van de technologie slangenolieverkopers waren. In een interview vorig jaar vertelde Herzog me dat hij het vooral over Lackner had. Hij was degene die er echt was, zegt hij.

Velen lezen de conclusies van de twee kranten als een doodsklok voor directe luchtvangst. Lackner hield stand en vertelde het tijdschrift Nature nadat de eerste van de onderzoeken was gepubliceerd: ze bewezen dat een specifieke manier om koolstofdioxide uit de lucht te halen duur is. Als je pinguïns bestudeert, zou je tot de conclusie kunnen komen dat vogels niet kunnen vliegen.

Spencer Lowell

In 2014 richtten hij en zijn medeoprichter van Global Research Technologies, Allen Wright, het Center for Negative Carbon Emissions op in de staat Arizona, waar ze zijn blijven proberen om hun eigen jongetje op de vlucht te krijgen.

Aanplant van synthetische bossen

De kern van het ontwerp van het Center for Negative Carbon Emissions is een bepaald type in de handel verkrijgbare anionenuitwisselingshars. Terwijl wind koolstofdioxide in de lucht over die polymeerstroken voert, binden negatief geladen ionen zich aan de gasmoleculen en zetten ze om in bicarbonaat - de belangrijkste verbinding in bakpoeder en maagzuurremmers.

De machine trekt zich vervolgens terug, trekt die verzadigde strips terug in de container en pompt deze vol met water. Het water begint de bicarbonaatmoleculen om te zetten in carbonaationen.

Naarmate het water wegloopt, worden die verbindingen onstabiel en veranderen ze weer in koolstofdioxide in de lucht in de container. De nu koolstofdioxiderijke lucht kan dan door een buis naar buiten worden gezogen en in een aangrenzende set tanks worden gezogen.

Aangezien koolstofdioxide relatief verdund is in de lucht, gebruiken de meeste andere directe vangmethoden grote ventilatoren om lucht over de bindende materialen te blazen om meer van het gas op te vangen. Vervolgens gebruiken ze warmte om de daaropvolgende reacties aan te sturen waarbij de koolstofdioxide vrijkomt. Beide stappen verbruiken meer energie. Daarentegen, zegt Lackner, vereist de aanpak van hem en Wright slechts een beetje elektriciteit om de machine uit en in te trekken, het water te pompen en de lucht te zuigen.

Mijn argument is altijd geweest dat we passief moeten zijn, zegt Lackner. We willen een boom zijn die in de wind staat en de CO2 op ons af laat komen.

Maar er zijn grote nadelen aan deze methode. Het werkt alleen als de wind waait en heeft alleen zin in droge gebieden, omdat vocht ervoor zorgt dat de koolstofdioxide kan ontsnappen. Bovendien is de concentratie van opgevangen koolstof in het resulterende gas minder dan 5%, vergeleken met ongeveer 98% van een Carbon Engineering- of Climeworks-faciliteit.

Een cruciale vraag voor startups voor het opvangen van koolstof is hoeveel de markt voor koolstofdioxide zou kunnen groeien. Tientallen bedrijven onderzoeken nieuwe manieren om het te laten werken.

Dat lage niveau is prima voor het bemesten van planten in kassen. Maar dat is een kleine markt en Lackner heeft grotere ontwerpen.

Hij stelt zich duizenden van deze machines voor die koolstofdioxide uit de lucht plukken in een droog en heet deel van de wereld, terwijl aangrenzende zonnepanelen een elektrolyseproces aandrijven dat waterstof uit water haalt. De koolstofdioxide en waterstof kunnen vervolgens ter plaatse worden gecombineerd om duizenden vaten synthetische brandstof per dag te produceren, die kan worden verkocht voor verwarming of transport, of kan worden gebruikt om het elektriciteitsnet te voeden wanneer hernieuwbare energiebronnen zoals wind- en zonne-vlaggen.

Dat plan brengt echter een aantal uitdagingen met zich mee. Elektrolyse is nog steeds erg duur. En ze zouden de koolstofdioxide tot de noodzakelijke concentratie moeten comprimeren terwijl ze waterdamp, stikstof en zuurstof verwijderen.

Dat kan, maar het zou de kosten en de energiebehoefte aanzienlijk kunnen verhogen. Dit is een groot, belangrijk stuk dat hij een beetje verdoezelt, zegt Jennifer Wilcox, een professor aan het Worcester Polytechnic Institute en co-auteur van het National Academies-rapport.

Sommigen geloven dat de sterke punten van Lackner als theoreticus en grote man hem niet zo goed hebben gediend bij het vertalen van die ideeën in de noodzakelijke vooruitgang in materiaalwetenschap en scheikunde. Met name het Centre for Negative Carbon Emissions-project loopt ver achter op Carbon Engineering, Climeworks en Global Thermostat, die kapitaal verzamelen, personeel inhuren en demonstratie-, zo niet commerciële faciliteiten bouwen.

Maar Lackner blijft ervan overtuigd dat zijn aanpak goedkoper zal zijn dan concurrerende. Ik kan het eenheidsproces voor eenheidsproces uitleggen, en in termen van eerste principes zijn we bij elke stap een beetje goedkoper, zegt hij.

Diepe problemen

Hoe denkt Lackner zelf over de vooruitzichten van de technologie meer dan twee decennia nadat hij dit onderzoekspad is begonnen? Het is geen eenvoudig antwoord. Lackner doet niet echt eenvoudige antwoorden. Tijdens een wandeling over de met palmbomen omzoomde campus van de universiteit in Tempe, zegt hij dat hij er zeker van blijft dat directe luchtvangst haalbaar is en dat het veel goedkoper kan worden als het op commerciële schaal kan.

Maar ik ben minder optimistisch dat we de politieke wil hebben om die drempel te overschrijden, zegt hij.

Gezien de hoge vroege kosten en beperkte markten, is hij van mening dat de technologie aanzienlijke overheidsfinanciering of strikte regelgeving nodig zal hebben om op grote schaal te worden toegepast - en meer overheidssteun om de kosten te dekken van het opvangen en begraven van het grootste deel van de koolstofdioxide die niet kan worden gebruikt . Hij denkt dat we koolstofdioxide moeten behandelen zoals rioolwater, waarbij consumenten of bedrijven moeten betalen voor de inzameling en verwijdering ervan, of het nu gaat om belastingen of vergoedingen.

Maar na decennia van relatief weinig politieke actie op het gebied van klimaatverandering en felle publieke weerstand tegen koolstofbelastingen, vreest hij dat de wereld niet tot die manier van denken zal komen totdat het lijden van klimaatcatastrofes te verschrikkelijk wordt om te negeren.

Waar hij zeker van is, na meer tijd dan wie dan ook te hebben besteed aan het puzzelen over het verwijderen van koolstof, is dat we het nodig zullen hebben. Ik ben de eerste om toe te geven dat luchtvangst niet is bewezen - en het is zeker niet op grote schaal bewezen, zegt Lackner. Maar we zitten diep in de problemen als we er niet uitkomen.

zich verstoppen