En mans två decennier långa strävan att suga växthusgaser ur himlen

Den stora metallbehållaren i Klaus Lackners labb ser inte ut att kunna rädda planeten. Det påminner mest om en soptunna – vilket det liksom är.

När Lackner tittar på, händerna i fickorna på sina pressade khakis, börjar maskinen att förvandlas. Tre madrassformade metallramar reser sig från kärlets tarmar och vecklas ut som ett dragspel när de sträcker sig mot taket.

Den här historien var en del av vårt marsnummer 2019

• Se resten av frågan
• Prenumerera

Varje ram innehåller hundratals vita polymerremsor fyllda med hartser som binder med koldioxidmolekyler. Remsorna bildar ett slags segel, utformade för att rycka växthusgasen ur luften när vinden blåser genom utrustningen.

Avgörande är att samma material släpper ut koldioxiden när den är våt. För att få det att hända drar Lackners enhet tillbaka sina ramar i sin behållare, som sedan fylls med vatten. Gasen kan sedan samlas upp och användas för andra ändamål, och processen kan börja igen.

Lackner och hans kollegor vid Arizona State Universitys Center for Negative Carbon Emissions har byggt en enkel maskin med ett stort syfte: att fånga upp och återvinna koldioxid för att lindra effekterna av klimatförändringar. Han föreställer sig skogar av dem som sträcker sig över landsbygden och suger upp miljarder ton av det från atmosfären.

Lackner, 66, med vikande silverhår, har nu arbetat med problemet i två decennier. 1999, som partikelfysiker vid Los Alamos National Laboratory, skrev han den första vetenskapliga artikeln som undersökte möjligheten att bekämpa klimatförändringar genom att dra ut koldioxid ur luften. Han var en ensam röst i flera år. Men en växande skara har kommit till hans tänkande när världen kämpar för att minska klimatutsläppen tillräckligt snabbt för att förhindra katastrofal uppvärmning. Lackners arbete har hjälpt till att inspirera en handfull startups med direkt luftfångst, inklusive en av hans egna, och en växande mängd vetenskaplig litteratur. Det är svårt att tänka på ett annat område som är så mycket produkten av en enskild persons tänkande och förespråkande, säger David Keith, en Harvard-professor som var med och grundade ett annat av dessa startups, Carbon Engineering. Klaus var avgörande för att argumentera för att [direkt luftinfångning] kunde utvecklas i en skala som är relevant för kol-klimatproblemet.

Ingen, inklusive Lackner, vet riktigt om systemet kommer att fungera. Kemin är lätt nog. Men kan vi verkligen bygga någonstans i närheten av tillräckligt med kolborttagningsmaskiner för att göra ett hack i klimatförändringarna? Vem ska betala för dem? Och vad ska vi göra med all koldioxid de samlar in?

Den senaste prototypen vecklas ut för att ta kol från luften. Klaus Lackner var pionjär inom området för direkt luftfångst. Spencer Lowell

Lackner erkänner lätt det okända men tror att ju billigare processen blir, desto mer genomförbar blir den. Om jag säger till dig, 'Du kan lösa koldioxidproblemet för 1 000 dollar per ton', kommer vi att säga, 'Klimatförändringar är en bluff', säger Lackner. Men om det är 5 USD per ton, eller 1 USD per ton, säger vi: 'Varför har vi inte fixat det ännu?'

Begränsar våra alternativ

Koncentrationen av koldioxid i atmosfären närmar sig 410 ppm. Det har redan drivit de globala temperaturerna nästan 1 ˚C över förindustriella nivåer och intensifierat torka, skogsbränder och andra naturkatastrofer. Dessa faror kommer bara att förvärras när utsläppen fortsätter att öka.

Vissa vetenskapliga kritiker fann Lackners prognoser inte bara felaktiga utan farliga. Ett par kritiska papper 2011 lät för många som en dödsstöt för direkt luftinfångning. Lackner var oförskräckt.

Den senaste bedömningen från FN:s mellanstatliga panel för klimatförändringar fann att det inte finns något sätt att begränsa eller återställa den globala uppvärmningen till 1,5 ˚C utan att ta bort någonstans mellan 100 miljarder och en biljon ton koldioxid i slutet av seklet. I den övre delen innebär det att man vänder nästan tre decennier av globala utsläpp i nuvarande takt.

Det finns en handfull sätt att dra ut koldioxid ur atmosfären. De inkluderar plantering av massor av träd, återställande av gräsmarker och andra områden som naturligt innehåller kol i marken, och användning av koldioxidsugande växter och andra former av biomassa som bränslekälla men fånga upp eventuella utsläpp när de används (en process som kallas biomassa). -energi med kolavskiljning och lagring).

Men en rapport från US National Academies i oktober fann att dessa tillvägagångssätt ensamma förmodligen inte kommer att räcka för att förhindra 2˚C uppvärmning - åtminstone inte om vi vill äta. Det beror på att mängden mark som krävs för att fånga upp så mycket koldioxid skulle komma på bekostnad av en enorm mängd jordbrukslivsmedelsproduktion.

En närbild av de kolfångande materialen i en gräsliknande konfiguration, en tidigare design som släpper ut koldioxid när den placeras i ett växthus. Spencer Lowell

Attraktionskraften hos direkta luftfångare som de Lackner och andra utvecklar är att de kan suga ut samma mängd koldioxid på mycket mindre mark. Det stora problemet är att det just nu är mycket billigare att plantera ett träd. Med den nuvarande kostnaden på omkring 600 dollar per ton, skulle fånga en biljon ton kosta omkring 600 biljoner dollar, mer än sju gånger världens årliga BNP.

I en tidning förra sommaren beräknade Harvards Keith att det direkta luftinfångningssystemet som han hjälpte till att designa så småningom kunde kosta mindre än 100 dollar per ton i full skala. Carbon Engineering, baserat i British Columbia, håller på att utöka sin pilotanläggning för att öka produktionen av syntetiska bränslen, skapade genom att kombinera den infångade koldioxiden med väte. Dessa kommer i sin tur att omvandlas till former av diesel och jetbränsle som anses vara koldioxidneutrala, eftersom de inte kräver att man gräver upp ytterligare fossila bränslen.

Om Keiths metod kan fånga upp koldioxid för 100 dollar per ton, skulle dessa syntetiska bränslen kunna säljas med lönsamhet på marknader med stöd från offentlig politik, som Kalifornien, med dess standarder för förnybara bränslen, eller EU, enligt dess uppdaterade direktiv för förnybar energi. Förhoppningen är att den här typen av tidiga möjligheter kommer att hjälpa till att skala upp tekniken, driva ner kostnaderna ytterligare och öppna ytterligare marknader.

Andra startups, inklusive Schweiz-baserade Climeworks och Global Thermostat of New York, tror att de kan uppnå liknande eller till och med lägre kostnader. De utforskar marknader som läskindustrin och växthus, som använder luft berikad med koldioxid för att gödsla växter.

Att sälja koldioxid är dock inte ett lätt förslag.

Den globala efterfrågan är relativt liten: i storleksordningen några hundra miljoner ton per år, en bråkdel av de tiotals miljarder som så småningom behöver tas bort årligen, enligt National Academies studie. Dessutom är det mesta av efterfrågan på ökad oljeutvinning, en teknik som tvingar in komprimerad koldioxid i brunnar för att frigöra de sista dropparna av olja, vilket bara gör klimatproblemet värre.

En kritisk fråga för startups med kolavskiljning är hur mycket marknaden för koldioxid kan växa. Dussintals företag undersöker nya sätt att få det att fungera. De inkluderar Kalifornien-baserade Opus12, som använder koldioxid för att producera kemikalier och polymerer, och CarbonCure of Nova Scotia, som arbetar med mer än 100 betongtillverkare för att omvandla koldioxid till kalciumkarbonat som fastnar i betongen när den härdar.

En rapport från 2016 från Global CO2 Initiative uppskattade att marknaden för produkter som kan använda koldioxid – inklusive flytande bränslen, polymerer, metanol och betong – skulle kunna nå 800 miljarder dollar till 2030. Dessa industrier skulle kunna använda cirka 7 miljarder ton per år — cirka 15 % av de årliga globala utsläppen.

Sådana prognoser är dock extremt optimistiska. Och även om en sådan enorm omvandling av flera sektorer faktiskt inträffar, kommer det fortfarande att lämna enorma mängder infångad koldioxid som kommer att behöva lagras permanent under jorden.

De hundratals polymerremsorna bildar ett slags segel som tar tag i koldioxidmolekyler när vinden blåser luft genom enheten. Lackner tittar igenom en tidig modell av en luftinfångningsanordning, med de kolinfångande materialen formade till ett rutnät. Spencer Lowell

Det kommer bara att hända om samhället bestämmer sig för att betala för det, och vissa är skeptiska att vi någonsin kommer att göra det. Att fånga upp koldioxid ur luften – vilket innebär att plocka en enda molekyl bland nästan 2 500 andra – är ett av de mest energikrävande och dyra sätten vi kan tänka oss att kämpa med klimatförändringarna. Direkt luftavskiljning är dyrare än att undvika utsläpp, men just nu är vi inte ens villiga att spendera de extra pengarna för att göra det, säger Ken Caldeira, klimatforskare vid Carnegie Institution. Så idén om att vi ska komma till negativa utsläpp i civilisationsskala genom luftfångst verkar för mig bara som en fantasi.

Robotar som tillverkar robotar

En sommarnatt 1992, medan Lackner var forskare vid Los Alamos National Laboratory, tog han och en annan partikelfysiker en öl och klagade över bristen på stora, djärva idéer inom vetenskapen. En eller två drinkar senare hade de en egen: Vad skulle bli möjligt om maskiner kunde bygga maskiner? Hur stora och snabba kunde du tillverka saker?

De insåg snabbt att det enda sättet som systemet skulle fungera är om du designade robotar som grävde upp alla sina egna råmaterial från smuts, konstruerade solpaneler för att driva processen – och gjorde allt fler kopior av sig själva.

Nästa morgon beslutade Lackner och hans vän, Christopher Wendt från University of Wisconsin–Madison, att de hade en idé värd att utforska. De publicerade så småningom ett dokument som utarbetade matematiken och utforskade flera tillämpningar, inklusive självreplikerande robotar som kunde fånga enorma mängder koldioxid och omvandla den till karbonatsten.

Mitt argument har alltid varit att vi måste vara passiva, säger Lackner. Vi vill vara ett träd som står i vinden och få CO2 till oss.

Robotarmadan, solpaneler, kolomvandlingsmaskiner och stenhögar skulle alla växa exponentiellt och nå kontinental storlek på mindre än ett decennium, drog tidningen slutsatsen. Att omvandla 20 % av koldioxiden i atmosfären skulle generera ett lager av sten 50 centimeter (20 tum) tjockt som täcker en miljon kvadratkilometer (390 000 kvadrat miles) – ett område lika stort som Egypten.

Problemet är naturligtvis att självreplikerande maskiner inte existerar. Lackner gick vidare från den delen av planen och fokuserade kort på solenergi som ersättning för fossila bränslen. Men ju mer han studerade problemet, desto mer trodde han att förnybara källor skulle kämpa för att konkurrera med priset, överflöd och energitätheten för kol, olja och bensin.

Detta antydde för mig att fossilbränslebaserad kraft inte bara kommer att rulla över och dö, säger han. Men kanske om teknik för kolavlägsnande var tillräckligt billig, tänkte han, skulle du kunna tvinga fossilbränsleleverantörer att städa efter sig.

Några år senare publicerade Lackner en artikel med titeln Carbon Dioxide Extraction from Air: Is It an Option? Han hävdade att det var tekniskt genomförbart och kan vara möjligt för så lite som $15 per ton. (Han tror nu att prisgolvet förmodligen ligger mellan $30 och $50 per ton.)

2001 flyttade Lackner till Columbia University, där han var med och grundade Global Research Technologies, det första försöket att kommersialisera direkt luftinfångning. Gary Comer, grundare av kläd- och möbelföretaget Lands’ End, överlämnade företaget 8 miljoner dollar av vad Lackner beskriver som äventyrskapital, inte riskkapital.

Företaget byggde en liten prototyp men fick snart slut på pengar. En grupp investerare köpte den kontrollerande andelen, flyttade den till San Francisco och döpte om den till Kilimanjaro Energy. Lackner fungerade som rådgivare och styrelseledamot. Men det stängde tyst sina dörrar efter att ha misslyckats med att samla in mer pengar.

Trots dessa misslyckanden fortsatte Lackner att försöka ta reda på hur man gör luftinfångning billigt och effektivt. Han har publicerat mer än 100 vetenskapliga artiklar och ledare i ämnet och ansökt om mer än två dussin patent.

Vissa vetenskapliga kritiker fann dock att Lackners prognoser inte bara var felaktiga utan också farliga. De fruktade att påståendet att direkt luftinfångning kunde göras billigt och enkelt skulle minska trycket för att minska utsläppen. 2011 drog ett par studier slutsatsen att tekniken skulle kosta mellan $600 och $1 000 per ton.

Howard Herzog, en senior forskare vid MIT Energy Initiative, som var medförfattare till en av studierna, tog det extra steget att antyda att vissa leverantörer av tekniken var säljare av ormolja. I en intervju förra året berättade Herzog att han främst pratade om Lackner. Det var han som verkligen var där ute, säger han.

Många läser de två tidningarnas slutsatser som en dödsstöt för direkt luftinfångning. Lackner stod fast och sa till tidskriften Nature efter att den första av studierna publicerats: De bevisade att ett specifikt sätt att fånga upp koldioxid från luft är dyrt. Om du studerar pingviner kan du dra till slutsatsen att fåglar inte kan flyga.

Spencer Lowell

2014 etablerade han och hans medgrundare av Global Research Technologies, Allen Wright, Center for Negative Carbon Emissions i Arizona State, där de har fortsatt att försöka få sin egen nybörjare att flyga.

Plantering av syntetiska skogar

I hjärtat av Center for Negative Carbon Emissions design är en speciell typ av kommersiellt tillgängligt anjonbytarharts. När vinden transporterar koldioxid i luften över dessa polymerremsor, binder negativt laddade joner till gasmolekylerna och omvandlar dem till bikarbonat - huvudföreningen i bakpulver och antacida.

Maskinen dras sedan tillbaka, drar de mättade remsorna tillbaka in i behållaren och pumpar den full med vatten. Vattnet börjar omvandla bikarbonatmolekylerna till karbonatjoner.

När vattnet rinner bort blir dessa föreningar instabila och förvandlas tillbaka till koldioxid i luften i behållaren. Den nu koldioxidrika luften kan sedan sugas ut genom ett rör och in i en intilliggande uppsättning tankar.

Eftersom koldioxid är relativt utspädd i luften använder de flesta andra direktinfångningsmetoder stora fläktar för att blåsa luft över bindematerialen för att fånga upp mer av gasen. De använder sedan värme för att driva de efterföljande reaktionerna som frigör koldioxiden. Båda dessa steg använder mer energi. Däremot, säger Lackner, kräver hans och Wrights tillvägagångssätt bara lite elektricitet för att förlänga och dra in maskinen, pumpa vattnet och suga ut luften.

Mitt argument har alltid varit att vi måste vara passiva, säger Lackner. Vi vill vara ett träd som står i vinden och få CO2 till oss.

Men det finns stora nackdelar med denna metod. Det fungerar bara när vinden blåser och är bara vettigt i torra områden, eftersom luftfuktighet gör att koldioxiden kan släppa ut. Dessutom är koncentrationen av infångat kol i den resulterande gasen mindre än 5 %, jämfört med cirka 98 % från en Carbon Engineering- eller Climeworks-anläggning.

En kritisk fråga för startups med kolavskiljning är hur mycket marknaden för koldioxid kan växa. Dussintals företag undersöker nya sätt att få det att fungera.

Den låga nivån är bra för att gödsla växter i växthus. Men det är en liten marknad, och Lackner har större design.

Han föreställer sig tusentals av dessa maskiner som plockar koldioxid från himlen i någon torr och varm del av världen, medan intilliggande solpaneler driver en elektrolysprocess som utvinner väte från vatten. Koldioxiden och väte kan sedan kombineras på plats för att producera tusentals fat om dagen av syntetiskt bränsle, som kan säljas för uppvärmning eller transport, eller användas för att mata elnätet när förnybara energikällor som vind- och solflagga.

Den planen innebär dock flera utmaningar. Elektrolys är fortfarande mycket dyrt. Och de skulle behöva komprimera koldioxiden till den nödvändiga koncentrationen samtidigt som de avlägsnar vattenånga, kväve och syre.

Det kan göras, men det kan avsevärt öka kostnaderna och energibehovet. Det här är en stor, viktig del som han slänger över lite, säger Jennifer Wilcox, professor vid Worcester Polytechnic Institute och medförfattare till rapporten från National Academies.

Vissa tror att Lackners styrkor som teoretiker och storbildskille inte har tjänat honom lika bra när det gäller att översätta dessa idéer till nödvändiga framsteg inom materialvetenskap och kemi. Noterbart är att Center for Negative Carbon Emissions-projektet ligger långt efter Carbon Engineering, Climeworks och Global Thermostat, som samlar kapital, anställer personal och bygger upp demonstrationsanläggningar, om inte kommersiella anläggningar.

Men Lackner är fortfarande säker på att hans tillvägagångssätt kommer att bli billigare än konkurrerande. Jag kan lägga upp det enhetsprocess för enhetsprocess, och när det gäller de första principerna är vi lite billigare i varje steg, säger han.

Djupa problem

Hur känner Lackner själv om teknikens möjligheter mer än två decennier efter att ha börjat på denna forskningsväg? Det är inte ett enkelt svar. Lackner ger egentligen inga enkla svar. Under en promenad över universitetets palmkantade campus i Tempe säger han att han fortfarande är säker på att direkt luftinfångning är möjlig och tror att det kan bli mycket billigare om det kan nå kommersiell skala.

Men jag är mindre optimistisk att vi har den politiska viljan att gå igenom den tröskeln, säger han.

Med tanke på de höga tidiga kostnaderna och begränsade marknaderna tror han att tekniken kommer att behöva betydande statlig finansiering eller stränga regler för att bli allmänt antagen – och mer statligt stöd för att täcka kostnaderna för att fånga upp och begrava majoriteten av koldioxiden som inte kan användas . Han tror att vi kommer att behöva behandla koldioxid som avloppsvatten, vilket kräver att konsumenter eller företag betalar för insamling och bortskaffande av koldioxid, oavsett om det är i skatter eller avgifter.

Men efter decennier av relativt lite politiska åtgärder mot klimatförändringar och våldsamt motstånd mot koldioxidskatter, fruktar han att världen inte kommer att komma runt till det sättet att tänka förrän lidandet av klimatkatastrofer blir för hemskt att ignorera.

Vad han är säker på, efter att ha tillbringat mer tid än någon annan med att förbrylla sig över kolavlägsnande, är att vi kommer att behöva det. Jag är den första att erkänna att luftfångst inte är bevisat - och det är verkligen inte bevisat i skala, säger Lackner. Men vi är i djupa problem om vi inte kan ta reda på det.

Dölj