La ricerca decennale di un uomo per aspirare gas serra dal cielo

Il grande contenitore di metallo nel laboratorio di Klaus Lackner non sembra in grado di salvare il pianeta. Assomiglia molto da vicino a un cassonetto, cosa che in qualche modo è.

Mentre Lackner guarda, con le mani nelle tasche dei suoi calzini stirati, la macchina inizia a trasformarsi. Tre strutture metalliche a forma di materasso salgono dalle viscere del ricettacolo, dispiegandosi come una fisarmonica mentre si allungano verso il soffitto.

Questa storia faceva parte del nostro numero di marzo 2019

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Ogni telaio contiene centinaia di strisce polimeriche bianche riempite di resine che si legano con molecole di anidride carbonica. Le strisce formano una specie di vela, progettata per strappare i gas serra dall'aria mentre il vento soffia attraverso l'aggeggio.

Fondamentalmente, quello stesso materiale rilascia anidride carbonica quando è bagnato. Per fare in modo che ciò accada, il dispositivo di Lackner ritrae i suoi telai nel loro contenitore, che poi si riempie d'acqua. Il gas può quindi essere raccolto e utilizzato per altri usi e il processo può ricominciare.

Lackner e i suoi colleghi del Center for Negative Carbon Emissions dell'Arizona State University hanno costruito una macchina semplice con un grande scopo: catturare e riciclare l'anidride carbonica per alleviare gli effetti del cambiamento climatico. Ne immagina foreste che si estendono attraverso la campagna, risucchiandone miliardi di tonnellate dall'atmosfera.

Lackner, 66 anni, con i capelli argentati sfuggenti, lavora sul problema da due decenni. Nel 1999, come fisico delle particelle presso il Los Alamos National Laboratory, ha scritto il primo articolo scientifico esplorando la fattibilità della lotta al cambiamento climatico estraendo l'anidride carbonica dall'aria. La sua è stata una voce solitaria per anni. Ma una folla crescente si è avvicinata al suo pensiero mentre il mondo lotta per ridurre le emissioni climatiche abbastanza velocemente da prevenire un riscaldamento catastrofico. Il lavoro di Lackner ha contribuito a ispirare una manciata di startup di acquisizione diretta dell'aria, inclusa una delle sue, e un corpus crescente di letteratura scientifica. È difficile pensare a un altro campo che sia così tanto il prodotto del pensiero e della difesa di una singola persona, afferma David Keith, un professore di Harvard che ha cofondato un'altra di quelle startup, Carbon Engineering. Klaus è stato fondamentale nell'argomentare che [la cattura diretta dell'aria] potrebbe essere sviluppata su una scala rilevante per il problema del clima del carbonio.

Nessuno, incluso Lackner, sa davvero se lo schema funzionerà. La chimica è abbastanza facile. Ma possiamo davvero costruire macchine per la rimozione del carbonio abbastanza vicine da intaccare il cambiamento climatico? Chi li pagherà? E cosa faremo con tutta l'anidride carbonica che raccolgono?

L'ultimo prototipo si dispiega per afferrare il carbonio dall'aria. Klaus Lackner è stato pioniere nel campo della cattura diretta dell'aria. Spencer Lowell

Lackner riconosce prontamente le incognite, ma crede che più il processo diventa economico, più diventa fattibile. Se ti dicessi: 'Potresti risolvere il problema del carbonio per $ 1.000 a tonnellata', diremo: 'Il cambiamento climatico è una bufala', afferma Lackner. Ma se è $ 5 a tonnellata, o $ 1 a tonnellata, diremo: 'Perché non l'abbiamo ancora riparato?'

Restringere le nostre opzioni

La concentrazione di anidride carbonica nell'atmosfera si avvicina a 410 parti per milione. Ciò ha già portato le temperature globali di quasi 1 °C al di sopra dei livelli preindustriali e ha intensificato siccità, incendi e altri disastri naturali. Questi pericoli non faranno che aumentare man mano che le emissioni continueranno ad aumentare.

Alcuni critici scientifici hanno trovato le proiezioni di Lackner non solo sbagliate ma pericolose. Un paio di articoli critici nel 2011 suonarono a molti come una campana a morto per la cattura diretta dell'aria. Lackner era imperterrito.

L'ultima valutazione del Gruppo intergovernativo delle Nazioni Unite sui cambiamenti climatici ha rilevato che non c'è modo di limitare o riportare il riscaldamento globale a 1,5 ˚C senza rimuovere da qualche parte tra 100 miliardi e un trilione di tonnellate di anidride carbonica entro la fine del secolo. Nella fascia alta, ciò significa invertire quasi tre decenni di emissioni globali al ritmo attuale.

Ci sono una manciata di modi per estrarre l'anidride carbonica dall'atmosfera. Includono la piantumazione di molti alberi, il ripristino di praterie e altre aree che trattengono naturalmente il carbonio nel suolo e l'utilizzo di piante che aspirano anidride carbonica e altre forme di biomassa come fonte di combustibile, ma catturano le emissioni quando vengono utilizzate (un processo noto come bio -energia con cattura e stoccaggio del carbonio).

Ma un rapporto delle accademie nazionali statunitensi di ottobre ha rilevato che questi approcci da soli probabilmente non saranno sufficienti per prevenire 2°C di riscaldamento, almeno, non se vogliamo mangiare. Questo perché la quantità di terra necessaria per catturare così tanta anidride carbonica verrebbe a scapito di un'enorme quantità di produzione alimentare agricola.

Una vista ravvicinata dei materiali che catturano il carbonio in una configurazione simile all'erba, un progetto precedente che rilascia anidride carbonica quando viene posizionato in una serra. Spencer Lowell

Il fascino dei dispositivi di cattura diretta dell'aria come quelli che Lackner e altri stanno sviluppando è che possono aspirare la stessa quantità di anidride carbonica su molto meno terreno. Il grosso problema è che in questo momento è molto più economico piantare un albero. Al costo attuale di circa $ 600 per tonnellata, catturare un trilione di tonnellate significherebbe circa $ 600 trilioni, più di sette volte il PIL annuale mondiale.

In un articolo della scorsa estate, Keith di Harvard ha calcolato che il sistema di cattura diretta dell'aria che ha aiutato a progettare potrebbe alla fine costare meno di $ 100 a tonnellata su vasta scala. Carbon Engineering, con sede nella Columbia Britannica, sta espandendo il suo impianto pilota per aumentare la produzione di combustibili sintetici, creati combinando l'anidride carbonica catturata con l'idrogeno. Questi, a loro volta, saranno convertiti in forme di diesel e carburante per jet considerati carbon neutral, poiché non richiedono lo scavo di ulteriori combustibili fossili.

Se il metodo di Keith è in grado di catturare l'anidride carbonica per $ 100 a tonnellata, questi combustibili sintetici potrebbero essere venduti con profitto nei mercati con il sostegno delle politiche pubbliche, come la California, con i suoi standard sui combustibili rinnovabili, o l'Unione Europea, ai sensi della sua aggiornata Direttiva sulle energie rinnovabili. La speranza è che questo tipo di opportunità precoci aiutino a potenziare la tecnologia, a ridurre ulteriormente i costi e ad aprire mercati aggiuntivi.

Altre startup, tra cui Climeworks con sede in Svizzera e Global Thermostat di New York, pensano di poter raggiungere costi simili o addirittura inferiori. Stanno esplorando mercati come l'industria delle bibite gassate e le serre, che utilizzano l'aria arricchita con anidride carbonica per fertilizzare le piante.

Tuttavia, vendere anidride carbonica non è una proposta facile.

La domanda globale è relativamente piccola: nell'ordine di poche centinaia di milioni di tonnellate all'anno, una frazione delle decine di miliardi che alla fine devono essere rimosse ogni anno, secondo lo studio delle National Academies. Inoltre, la maggior parte di tale richiesta riguarda un maggiore recupero del petrolio, una tecnica che costringe l'anidride carbonica compressa nei pozzi per liberare le ultime gocce di petrolio, il che non fa che peggiorare il problema climatico.

Una domanda fondamentale per le startup carbon-capture è quanto potrebbe crescere il mercato dell'anidride carbonica. Decine di aziende stanno esplorando nuovi modi per metterlo in pratica. Includono Opus12, con sede in California, che utilizza l'anidride carbonica per produrre sostanze chimiche e polimeri, e CarbonCure della Nuova Scozia, che sta lavorando con più di 100 produttori di calcestruzzo per convertire l'anidride carbonica in carbonato di calcio che rimane intrappolato nel calcestruzzo mentre si fissa.

Un rapporto del 2016 della Global CO2 Initiative ha stimato che il mercato dei prodotti che potrebbero utilizzare anidride carbonica, inclusi combustibili liquidi, polimeri, metanolo e calcestruzzo, potrebbe raggiungere gli 800 miliardi di dollari entro il 2030. Tali industrie potrebbero utilizzare circa 7 miliardi di tonnellate per anno: circa il 15% delle emissioni globali annuali.

Tuttavia, tali proiezioni sono estremamente ottimistiche. E anche se si verificasse davvero una così vasta trasformazione di più settori, lascerà comunque enormi quantità di anidride carbonica catturata che dovrà essere immagazzinata permanentemente sottoterra.

Le centinaia di strisce polimeriche formano una specie di vela che afferra le molecole di anidride carbonica mentre il vento soffia aria attraverso il dispositivo. Lackner esamina uno dei primi modelli di un dispositivo di cattura dell'aria, con i materiali che intrappolano il carbonio modellati in una griglia. Spencer Lowell

Succederà solo se la società deciderà di pagare per questo, e alcuni sono scettici sul fatto che lo faremo mai. Catturare l'anidride carbonica dall'aria, il che significa estrarre una singola molecola da quasi 2.500 altre, è uno dei modi più energivori e costosi che potremmo immaginare per affrontare il cambiamento climatico. La cattura diretta dell'aria è più costosa dell'evitare le emissioni, ma in questo momento non siamo nemmeno disposti a spendere soldi aggiuntivi per farlo, afferma Ken Caldeira, uno scienziato del clima presso la Carnegie Institution. Quindi l'idea che arriveremo a emissioni negative su scala di civiltà attraverso la cattura dell'aria, per me, sembra solo una fantasia.

Robot per la produzione di robot

In una notte d'estate del 1992, mentre Lackner era un ricercatore presso il Los Alamos National Laboratory, lui e un collega fisico delle particelle si stavano bevendo una birra e si lamentavano della mancanza di idee grandi e audaci nella scienza. Uno o due drink dopo, ne bevvero uno tutto loro: cosa sarebbe possibile se le macchine potessero costruire macchine? Quanto grande e veloce potresti produrre cose?

Si sono subito resi conto che l'unico modo in cui lo schema avrebbe funzionato è progettare robot che estrassero tutte le proprie materie prime dallo sporco, costruissero pannelli solari per alimentare il processo e realizzassero sempre più copie di se stessi.

La mattina dopo, Lackner e il suo amico, Christopher Wendt dell'Università del Wisconsin-Madison, decisero di avere un'idea che valeva la pena esplorare. Alla fine hanno pubblicato un documento che elabora la matematica ed esplora diverse applicazioni, inclusi robot autoreplicanti in grado di catturare enormi quantità di anidride carbonica e convertirla in roccia carbonatica.

La mia argomentazione è sempre stata che dobbiamo essere passivi, dice Lackner. Vogliamo essere un albero in piedi nel vento e portare la CO2 a noi.

L'armata di robot, i pannelli solari, le macchine per la conversione del carbonio e i cumuli di roccia sarebbero cresciuti in modo esponenziale, raggiungendo le dimensioni continentali in meno di un decennio, ha concluso il documento. La conversione del 20% dell'anidride carbonica nell'atmosfera genererebbe uno strato di roccia spesso 50 centimetri (20 pollici) che copre un milione di chilometri quadrati (390.000 miglia quadrate), un'area grande quanto l'Egitto.

Il problema, ovviamente, è che le macchine autoreplicanti non esistono. Lackner è passato da quella parte del piano e si è concentrato brevemente sull'energia solare in sostituzione dei combustibili fossili. Ma più studiava il problema, più arrivava a credere che le fonti rinnovabili avrebbero lottato per competere con il prezzo, l'abbondanza e la densità energetica di carbone, petrolio e benzina.

Questo mi ha suggerito che l'energia basata sui combustibili fossili non si limiterà a rotolare e morire, dice. Ma forse se le tecnologie di rimozione del carbonio fossero abbastanza economiche, pensò, potresti costringere i fornitori di combustibili fossili a ripulire se stessi.

Alcuni anni dopo, Lackner pubblicò un articolo intitolato Carbon Dioxide Extraction from Air: Is It an Option? Ha sostenuto che era tecnicamente fattibile e potrebbe essere possibile per un minimo di $ 15 a tonnellata. (Ora crede che il prezzo minimo sia probabilmente compreso tra $ 30 e $ 50 a tonnellata.)

Nel 2001 Lackner si è trasferito alla Columbia University, dove ha cofondato Global Research Technologies, il primo sforzo per commercializzare la cattura diretta dell'aria. Gary Comer, fondatore dell'azienda di abbigliamento e mobili Lands' End, ha consegnato all'azienda 8 milioni di dollari di ciò che Lackner descrive come capitale di avventura, non capitale di rischio.

L'azienda costruì un piccolo prototipo ma presto rimase senza soldi. Un gruppo di investitori acquistò la partecipazione di controllo, la trasferì a San Francisco e la ribattezzò Kilimanjaro Energy. Lackner è stato consulente e membro del consiglio. Ma ha chiuso tranquillamente i battenti dopo non aver raccolto più soldi.

Nonostante questi fallimenti, Lackner ha continuato a cercare di capire come eseguire la cattura dell'aria in modo economico ed efficiente. Ha pubblicato più di 100 articoli scientifici ed editoriali sull'argomento e ha richiesto più di due dozzine di brevetti.

Alcuni critici scientifici, tuttavia, hanno trovato le proiezioni di Lackner non solo sbagliate ma anche pericolose. Temevano che affermare che la cattura diretta dell'aria potesse essere effettuata a buon mercato e facilmente avrebbe ridotto la pressione per ridurre drasticamente le emissioni. Nel 2011, un paio di studi hanno concluso che la tecnologia costerebbe tra $ 600 e $ 1.000 a tonnellata.

Howard Herzog, un ricercatore senior presso il MIT Energy Initiative, che è stato coautore di uno degli studi, ha fatto il passo ulteriore suggerendo che alcuni fornitori della tecnologia erano venditori di olio di serpente. In un'intervista dell'anno scorso, Herzog mi ha detto che parlava principalmente di Lackner. Era quello che era davvero là fuori, dice.

Molti leggono le conclusioni dei due articoli come una campana a morto per la cattura aerea diretta. Lackner è rimasto fermo, dicendo alla rivista Nature dopo la pubblicazione del primo degli studi: hanno dimostrato che un modo specifico per catturare l'anidride carbonica dall'aria è costoso. Se studi i pinguini, potresti saltare alla conclusione che gli uccelli non possono volare.

Spencer Lowell

Nel 2014, lui e il suo cofondatore di Global Research Technologies, Allen Wright, hanno fondato il Center for Negative Carbon Emissions nello stato dell'Arizona, dove hanno continuato a cercare di far spiccare il volo ai propri piccoli.

Piantare foreste sintetiche

Al centro del design del Center for Negative Carbon Emissions c'è un particolare tipo di resina a scambio anionico disponibile in commercio. Poiché il vento trasporta l'anidride carbonica nell'aria attraverso quelle strisce polimeriche, gli ioni caricati negativamente si legano alle molecole di gas e le convertono in bicarbonato, il composto principale nel bicarbonato di sodio e negli antiacidi.

La macchina quindi si ritrae, tirando le strisce sature di nuovo nel contenitore e pompandolo pieno d'acqua. L'acqua inizia a convertire le molecole di bicarbonato in ioni carbonato.

Quando l'acqua defluisce, questi composti diventano instabili e si trasformano di nuovo in anidride carbonica nell'aria all'interno del contenitore. L'aria ora ricca di anidride carbonica può quindi essere aspirata attraverso un tubo e in una serie di serbatoi adiacenti.

Poiché l'anidride carbonica è relativamente diluita nell'aria, la maggior parte degli altri approcci di cattura diretta impiega grandi ventole per soffiare aria sui materiali leganti per intrappolare più gas. Quindi impiegano il calore per guidare le reazioni successive che rilasciano l'anidride carbonica. Entrambi questi passaggi utilizzano più energia. Al contrario, dice Lackner, l'approccio suo e di Wright richiede solo un po' di elettricità per estendere e ritrarre la macchina, pompare l'acqua e aspirare l'aria.

La mia argomentazione è sempre stata che dobbiamo essere passivi, dice Lackner. Vogliamo essere un albero in piedi nel vento e portare la CO2 a noi.

Ma ci sono grossi inconvenienti in questo metodo. Funziona solo quando soffia il vento e ha senso solo in zone asciutte, poiché l'umidità consente all'anidride carbonica di fuoriuscire. Inoltre, la concentrazione di carbonio catturato nel gas risultante è inferiore al 5%, rispetto a circa il 98% da una struttura di Carbon Engineering o Climeworks.

Una domanda fondamentale per le startup che catturano il carbonio è quanto potrebbe crescere il mercato dell'anidride carbonica. Decine di aziende stanno esplorando nuovi modi per metterlo in pratica.

Quel livello basso va bene per fertilizzare le piante nelle serre. Ma questo è un mercato minuscolo e Lackner ha progetti più grandiosi.

Immagina migliaia di queste macchine che raccolgono anidride carbonica dal cielo in alcune parti aride e calde del mondo, mentre i pannelli solari adiacenti guidano un processo di elettrolisi che estrae l'idrogeno dall'acqua. L'anidride carbonica e l'idrogeno potrebbero quindi essere combinati in loco per produrre migliaia di barili al giorno di combustibile sintetico, che potrebbe essere venduto per il riscaldamento o il trasporto, o utilizzato per alimentare la rete elettrica quando sono rinnovabili come il vento e il solare.

Tale piano, tuttavia, pone diverse sfide. L'elettrolisi è ancora molto costosa. E avrebbero bisogno di comprimere l'anidride carbonica alla concentrazione necessaria rimuovendo vapore acqueo, azoto e ossigeno.

Ciò può essere fatto, ma potrebbe aumentare notevolmente i costi e il fabbisogno energetico. Questo è un pezzo grande e importante su cui sta sorvolando un po', dice Jennifer Wilcox, professoressa al Worcester Polytechnic Institute e coautrice del rapporto delle National Academies.

Alcuni credono che i punti di forza di Lackner come teorico e ragazzo del quadro generale non gli siano serviti altrettanto bene nel tradurre quelle idee nei necessari progressi nella scienza dei materiali e nella chimica. In particolare, il progetto Center for Negative Carbon Emissions è molto indietro rispetto a Carbon Engineering, Climeworks e Global Thermostat, che stanno accumulando capitali, assumendo personale e costruendo strutture dimostrative se non su scala commerciale.

Ma Lackner rimane fiducioso che il suo approccio sarà meno costoso di quelli concorrenti. Posso strutturare processo unitario per processo unitario e, in termini di primi principi, ad ogni passaggio siamo un po' più economici, dice.

Problema profondo

Come si sente lo stesso Lackner riguardo alle prospettive della tecnologia a più di due decenni dall'inizio di questo percorso di ricerca? Non è una risposta semplice. Lackner non fornisce risposte semplici. Durante una passeggiata attraverso il campus dell'università, circondato da palme, a Tempe, dice di essere fiducioso che la cattura diretta dell'aria sia fattibile e crede che potrebbe diventare molto meno costosa se fosse in grado di raggiungere una scala commerciale.

Ma sono meno ottimista sul fatto che abbiamo la volontà politica di superare quella soglia, dice.

Dati gli alti costi iniziali e i mercati limitati, ritiene che la tecnologia avrà bisogno di finanziamenti governativi significativi o di regolamenti severi per essere ampiamente adottata e un maggiore sostegno del governo per coprire i costi di cattura e seppellimento della maggior parte dell'anidride carbonica che non può essere utilizzata . Pensa che dovremo trattare l'anidride carbonica come le acque reflue, richiedendo ai consumatori o alle aziende di pagare per la sua raccolta e smaltimento, sia in tasse che in tasse.

Ma dopo decenni di relativamente poca azione politica sui cambiamenti climatici e una feroce resistenza pubblica alle tasse sul carbonio, teme che il mondo non tornerà a questo modo di pensare fino a quando la sofferenza delle catastrofi climatiche non diventerà troppo orribile per essere ignorata.

Quello di cui è sicuro, dopo aver passato più tempo di chiunque altro a interrogarsi sulla rimozione del carbonio, è che ne avremo bisogno. Sono il primo ad ammettere che la cattura dell'aria non è stata dimostrata e certamente non è stata dimostrata su larga scala, afferma Lackner. Ma siamo nei guai se non riusciamo a capirlo.

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