La búsqueda de dos décadas de un hombre para absorber los gases de efecto invernadero del cielo

El gran contenedor de metal en el laboratorio de Klaus Lackner no parece que pueda salvar el planeta. Se parece más a un contenedor de basura, que es algo así.

Mientras Lackner observa, con las manos en los bolsillos de sus pantalones caqui planchados, la máquina comienza a transformarse. Tres marcos de metal en forma de colchón se elevan desde las entrañas del receptáculo, desplegándose como un acordeón mientras se extienden hacia el techo.

Esta historia fue parte de nuestra edición de marzo de 2019

• Ver el resto del número
• Suscribir

Cada marco contiene cientos de tiras de polímero blanco llenas de resinas que se unen con moléculas de dióxido de carbono. Las tiras forman una especie de vela, diseñada para atrapar los gases de efecto invernadero del aire cuando el viento sopla a través del artilugio.

Crucialmente, ese mismo material libera el dióxido de carbono cuando está mojado. Para que eso suceda, el dispositivo de Lackner retrae sus marcos en su contenedor, que luego se llena de agua. A continuación, el gas se puede recolectar y destinar a otros usos, y el proceso puede comenzar de nuevo.

Lackner y sus colegas del Centro de Emisiones Negativas de Carbono de la Universidad Estatal de Arizona han construido una máquina simple con un gran propósito: capturar y reciclar dióxido de carbono para aliviar los efectos del cambio climático. Él imagina bosques de ellos que se extienden por el campo, absorbiendo miles de millones de toneladas de la atmósfera.

Lackner, de 66 años, con cabello plateado que retrocede, ha estado trabajando en el problema durante dos décadas. En 1999, como físico de partículas en el Laboratorio Nacional de Los Álamos, escribió el primer artículo científico que exploraba la viabilidad de combatir el cambio climático extrayendo el dióxido de carbono del aire. La suya fue una voz solitaria durante años. Pero una multitud cada vez mayor se ha acercado a su pensamiento a medida que el mundo lucha por reducir las emisiones climáticas lo suficientemente rápido como para evitar un calentamiento catastrófico. El trabajo de Lackner ha ayudado a inspirar a un puñado de nuevas empresas de captura directa de aire, incluida una propia, y un creciente cuerpo de literatura científica. Es difícil pensar en otro campo que sea tanto el producto del pensamiento y la defensa de una sola persona, dice David Keith, profesor de Harvard que cofundó otra de esas nuevas empresas, Carbon Engineering. Klaus fue fundamental al argumentar que [la captura directa de aire] podría desarrollarse a una escala relevante para el problema del carbono y el clima.

Nadie, incluido Lackner, sabe realmente si el esquema funcionará. La química es bastante fácil. Pero, ¿podemos realmente construir cerca de suficientes máquinas de eliminación de carbono para hacer mella en el cambio climático? ¿Quién pagará por ellos? ¿Y qué vamos a hacer con todo el dióxido de carbono que recogen?

El último prototipo se despliega para capturar carbono del aire. Klaus Lackner fue pionero en el campo de la captura directa de aire. spencer lowell

Lackner reconoce fácilmente las incógnitas, pero cree que cuanto más barato se vuelve el proceso, más factible se vuelve. Si te digo: 'Podrías resolver el problema del carbono por 1.000 dólares la tonelada', diremos: 'El cambio climático es un engaño', dice Lackner. Pero si son $5 la tonelada, o $1 la tonelada, diremos: '¿Por qué no lo hemos arreglado todavía?'

Estrechando nuestras opciones

La concentración de dióxido de carbono en la atmósfera se acerca a las 410 partes por millón. Eso ya ha llevado las temperaturas globales casi 1 ˚C por encima de los niveles preindustriales y ha intensificado las sequías, los incendios forestales y otros desastres naturales. Esos peligros solo se agravarán a medida que las emisiones continúen aumentando.

Algunos críticos científicos encontraron que las proyecciones de Lackner no solo eran incorrectas sino también peligrosas. Un par de artículos críticos en 2011 sonaron para muchos como una sentencia de muerte para la captura directa de aire. Lackner no se desanimó.

La última evaluación del Panel Intergubernamental sobre Cambio Climático de la ONU encontró que no hay forma de limitar o regresar el calentamiento global a 1.5 ˚C sin eliminar entre 100 mil millones y un billón de toneladas métricas de dióxido de carbono para fines de siglo. En el extremo superior, eso significa revertir casi tres décadas de emisiones globales al ritmo actual.

Hay varias formas de extraer dióxido de carbono de la atmósfera. Incluyen plantar muchos árboles, restaurar pastizales y otras áreas que naturalmente retienen carbono en los suelos, y usar plantas que absorben dióxido de carbono y otras formas de biomasa como fuente de combustible, pero capturando las emisiones cuando se usan (un proceso conocido como bio -energía con captura y almacenamiento de carbono).

Pero un informe de las Academias Nacionales de EE. UU. en octubre encontró que estos enfoques por sí solos probablemente no sean suficientes para evitar 2 °C de calentamiento, al menos, no si queremos comer. Esto se debe a que la cantidad de tierra requerida para capturar tanto dióxido de carbono tendría el costo de una gran cantidad de producción agrícola de alimentos.

Una vista de primer plano de los materiales que capturan carbono en una configuración similar a la hierba, un diseño anterior que libera dióxido de carbono cuando se coloca en un invernadero. spencer lowell

El atractivo de los dispositivos de captura directa de aire como los que Lackner y otros están desarrollando es que pueden absorber la misma cantidad de dióxido de carbono en mucho menos terreno. El gran problema es que ahora mismo es mucho más barato plantar un árbol. Al costo actual de alrededor de $ 600 por tonelada, capturar un billón de toneladas costaría unos $ 600 billones, más de siete veces el PIB anual mundial.

En un artículo del verano pasado, Keith, de Harvard, calculó que el sistema de captura directa de aire que ayudó a diseñar podría costar menos de 100 dólares la tonelada a gran escala. Carbon Engineering, con sede en la Columbia Británica, está en proceso de expandir su planta piloto para aumentar la producción de combustibles sintéticos, creados al combinar el dióxido de carbono capturado con hidrógeno. Estos, a su vez, se convertirán en formas de diesel y combustible para aviones que se consideran neutrales en carbono, ya que no requieren excavar combustibles fósiles adicionales.

Si el método de Keith puede capturar dióxido de carbono por $100 la tonelada, estos combustibles sintéticos podrían venderse de manera rentable en mercados con apoyo de políticas públicas, como California, con sus estándares de combustibles renovables, o la Unión Europea, bajo su Directiva de Energía Renovable actualizada. La esperanza es que este tipo de oportunidades tempranas ayuden a ampliar la tecnología, reducir aún más los costos y abrir mercados adicionales.

Otras nuevas empresas, incluidas Climeworks, con sede en Suiza, y Global Thermostat de Nueva York, creen que pueden lograr costos similares o incluso más bajos. Están explorando mercados como la industria de las gaseosas y los invernaderos, que utilizan aire enriquecido con dióxido de carbono para fertilizar las plantas.

Sin embargo, vender dióxido de carbono no es una propuesta fácil.

La demanda global es relativamente pequeña: del orden de unos pocos cientos de millones de toneladas por año, una fracción de las decenas de miles de millones que eventualmente deben eliminarse anualmente, según el estudio de las Academias Nacionales. Además, la mayor parte de esa demanda es para la recuperación mejorada de petróleo, una técnica que fuerza el dióxido de carbono comprimido en los pozos para liberar las últimas gotas de petróleo, lo que solo empeora el problema climático.

Una pregunta crítica para las nuevas empresas de captura de carbono es cuánto podría crecer el mercado de dióxido de carbono. Docenas de empresas están explorando nuevas formas de ponerlo a funcionar. Incluyen Opus12, con sede en California, que utiliza dióxido de carbono para producir productos químicos y polímeros, y CarbonCure de Nueva Escocia, que trabaja con más de 100 fabricantes de hormigón para convertir el dióxido de carbono en carbonato de calcio que queda atrapado en el hormigón a medida que fragua.

Un informe de 2016 de Global CO2 Initiative estimó que el mercado de productos que podrían utilizar dióxido de carbono, incluidos combustibles líquidos, polímeros, metanol y hormigón, podría alcanzar los 800.000 millones de dólares para 2030. Esas industrias podrían utilizar unos 7.000 millones de toneladas métricas por año. año—alrededor del 15% de las emisiones globales anuales.

Sin embargo, tales proyecciones son extremadamente optimistas. E incluso si realmente se produce una transformación tan grande de múltiples sectores, todavía quedarán enormes cantidades de dióxido de carbono capturado que deberán almacenarse permanentemente bajo tierra.

Los cientos de tiras de polímero forman una especie de vela que atrapa moléculas de dióxido de carbono a medida que el viento sopla aire a través del dispositivo. Lackner mira a través de un modelo temprano de un dispositivo de captura de aire, con los materiales de captura de carbono en forma de cuadrícula. spencer lowell

Eso solo sucederá si la sociedad decide pagar por ello, y algunos se muestran escépticos de que alguna vez lo hagamos. Capturar el dióxido de carbono del aire, lo que significa extraer una sola molécula de entre casi otras 2500, es una de las formas más costosas y de mayor consumo de energía que podríamos soñar para lidiar con el cambio climático. La captura directa de aire es más costosa que evitar las emisiones, pero en este momento ni siquiera estamos dispuestos a gastar el dinero adicional para hacer eso, dice Ken Caldeira, científico climático de la Institución Carnegie. Entonces, la idea de que vamos a llegar a emisiones negativas a escala de civilización a través de la captura de aire, para mí, solo parece una fantasía.

Robots que fabrican robots

En una noche de verano de 1992, mientras Lackner era investigador en el Laboratorio Nacional de Los Álamos, él y un compañero físico de partículas estaban tomando una cerveza y quejándose de la falta de ideas grandes y audaces en la ciencia. Uno o dos tragos después, tomaron uno propio: ¿Qué sería posible si las máquinas pudieran construir máquinas? ¿Qué tan grande y rápido podrías fabricar cosas?

Rápidamente se dieron cuenta de que la única forma en que el esquema funcionaría es si diseñas robots que extraigan todas sus propias materias primas de la tierra, construyan paneles solares para alimentar el proceso y hagan cada vez más copias de sí mismos.

A la mañana siguiente, Lackner y su amigo, Christopher Wendt, de la Universidad de Wisconsin–Madison, decidieron que tenían una idea que valía la pena explorar. Eventualmente publicaron un artículo que resolvía las matemáticas y exploraba varias aplicaciones, incluidos robots autorreplicantes que podrían capturar cantidades masivas de dióxido de carbono y convertirlo en roca carbonatada.

Mi argumento siempre ha sido que debemos ser pasivos, dice Lackner. Queremos ser un árbol parado en el viento y que nos lleve el CO2.

La armada de robots, los paneles solares, las máquinas de conversión de carbono y las pilas de rocas crecerían exponencialmente, alcanzando el tamaño continental en menos de una década, concluyó el documento. Convertir el 20% del dióxido de carbono en la atmósfera generaría una capa de roca de 50 centímetros (20 pulgadas) de espesor que cubriría un millón de kilómetros cuadrados (390,000 millas cuadradas), un área del tamaño de Egipto.

El problema, por supuesto, es que las máquinas autorreplicantes no existen. Lackner pasó de esa parte del plan y se centró brevemente en la energía solar como reemplazo de los combustibles fósiles. Pero cuanto más estudiaba el problema, más creía que las fuentes renovables tendrían dificultades para competir con el precio, la abundancia y la densidad energética del carbón, el petróleo y la gasolina.

Esto me sugirió que la energía basada en combustibles fósiles no simplemente se dará la vuelta y morirá, dice. Pero tal vez si las tecnologías de eliminación de carbono fueran lo suficientemente baratas, pensó, podría obligar a los proveedores de combustibles fósiles a limpiar lo que ensucian ellos mismos.

Unos años más tarde, Lackner publicó un artículo titulado Extracción de dióxido de carbono del aire: ¿es una opción? Argumentó que era técnicamente factible y podría ser posible por tan solo $ 15 por tonelada. (Él ahora cree que el precio mínimo es probablemente entre $30 y $50 por tonelada).

En 2001, Lackner se mudó a la Universidad de Columbia, donde cofundó Global Research Technologies, el primer esfuerzo por comercializar la captura directa de aire. Gary Comer, fundador de la empresa de ropa y muebles Lands' End, entregó a la empresa 8 millones de dólares de lo que Lackner describe como capital de riesgo, no capital de riesgo.

La empresa construyó un pequeño prototipo, pero pronto se quedó sin dinero. Un grupo de inversores compró la participación mayoritaria, la trasladó a San Francisco y la rebautizó como Kilimanjaro Energy. Lackner se desempeñó como asesor y miembro de la junta. Pero cerró silenciosamente sus puertas después de no poder recaudar más dinero.

A pesar de estos fracasos, Lackner continuó tratando de descubrir cómo capturar el aire de manera económica y eficiente. Ha publicado más de 100 artículos científicos y editoriales sobre el tema, y ​​ha solicitado más de dos docenas de patentes.

Sin embargo, algunos críticos científicos encontraron que las proyecciones de Lackner no solo eran incorrectas sino también peligrosas. Temían que afirmar que la captura directa de aire podría hacerse de manera barata y fácil reduciría la presión para reducir las emisiones. En 2011, un par de estudios concluyeron que la tecnología costaría entre 600 y 1000 dólares la tonelada.

Howard Herzog, investigador principal de la Iniciativa de Energía del MIT, coautor de uno de los estudios, dio el paso adicional de sugerir que algunos proveedores de la tecnología eran vendedores de aceite de serpiente. En una entrevista el año pasado, Herzog me dijo que estaba hablando principalmente de Lackner. Él era el que realmente estaba ahí afuera, dice.

Muchos interpretan las conclusiones de los dos artículos como una sentencia de muerte para la captura directa de aire. Lackner se mantuvo firme y le dijo a la revista Nature después de que se publicó el primero de los estudios: Demostraron que una forma específica de capturar dióxido de carbono del aire es costosa. Si estudias a los pingüinos, podrías llegar a la conclusión de que las aves no pueden volar.

spencer lowell

En 2014, él y su cofundador de Global Research Technologies, Allen Wright, establecieron el Centro de Emisiones Negativas de Carbono en el estado de Arizona, donde han seguido intentando que su propio novato despegue.

Plantación de bosques sintéticos

En el corazón del diseño del Centro de Emisiones Negativas de Carbono se encuentra un tipo particular de resina de intercambio aniónico disponible comercialmente. A medida que el viento transporta dióxido de carbono en el aire a través de esas tiras de polímero, los iones cargados negativamente se unen a las moléculas de gas y las convierten en bicarbonato, el compuesto principal del bicarbonato de sodio y los antiácidos.

Luego, la máquina se retrae, jalando esas tiras saturadas de regreso al recipiente y bombeándolo lleno de agua. El agua comienza a convertir las moléculas de bicarbonato en iones de carbonato.

A medida que el agua se drena, esos compuestos se vuelven inestables y vuelven a convertirse en dióxido de carbono en el aire dentro del recipiente. El aire ahora rico en dióxido de carbono puede ser succionado a través de un tubo y hacia un conjunto de tanques adyacentes.

Dado que el dióxido de carbono está relativamente diluido en el aire, la mayoría de los otros enfoques de captura directa emplean grandes ventiladores para soplar aire sobre los materiales de unión para atrapar más gas. Luego emplean calor para impulsar las reacciones posteriores que liberan el dióxido de carbono. Ambos pasos usan más energía. En contraste, dice Lackner, su enfoque y el de Wright solo requieren un poco de electricidad para extender y retraer la máquina, bombear el agua y aspirar el aire.

Mi argumento siempre ha sido que debemos ser pasivos, dice Lackner. Queremos ser un árbol parado en el viento y que nos lleve el CO2.

Pero hay grandes inconvenientes en este método. Funciona solo cuando sopla el viento y tiene sentido solo en áreas secas, ya que la humedad permite que escape el dióxido de carbono. Además, la concentración de carbono capturado en el gas resultante es inferior al 5 %, en comparación con alrededor del 98 % de una instalación de Carbon Engineering o Climeworks.

Una pregunta crítica para las nuevas empresas de captura de carbono es cuánto podría crecer el mercado de dióxido de carbono. Docenas de empresas están explorando nuevas formas de ponerlo a funcionar.

Ese nivel bajo está bien para fertilizar plantas en invernaderos. Pero ese es un mercado pequeño, y Lackner tiene diseños más grandiosos.

Él imagina miles de estas máquinas extrayendo dióxido de carbono del cielo en alguna parte seca y cálida del mundo, mientras que los paneles solares adyacentes impulsan un proceso de electrólisis que extrae hidrógeno del agua. Luego, el dióxido de carbono y el hidrógeno podrían combinarse en el sitio para producir miles de barriles por día de combustible sintético, que podrían venderse para calefacción o transporte, o usarse para alimentar la red eléctrica cuando las energías renovables como la eólica y la solar flaquean.

Ese plan, sin embargo, plantea varios desafíos. La electrólisis sigue siendo muy cara. Y necesitarían comprimir el dióxido de carbono a la concentración necesaria mientras eliminan el vapor de agua, el nitrógeno y el oxígeno.

Eso se puede hacer, pero podría aumentar sustancialmente los costos y las necesidades de energía. Esta es una pieza grande e importante que está pasando un poco por alto, dice Jennifer Wilcox, profesora del Instituto Politécnico de Worcester y coautora del informe de las Academias Nacionales.

Algunos creen que las fortalezas de Lackner como teórico y tipo de panorama general no le han servido tan bien para traducir esas ideas en los avances necesarios en la ciencia de los materiales y la química. En particular, el proyecto Center for Negative Carbon Emissions va muy por detrás de Carbon Engineering, Climeworks y Global Thermostat, que están acumulando capital, contratando personal y construyendo instalaciones de demostración, si no a escala comercial.

Pero Lackner sigue confiando en que su enfoque será menos costoso que los de la competencia. Puedo diseñarlo unidad de proceso por unidad de proceso, y en términos de primeros principios, en cada paso somos un poco más baratos, dice.

Graves problemas

¿Cómo se siente el propio Lackner sobre las perspectivas de la tecnología más de dos décadas después de comenzar este camino de investigación? No es una respuesta simple. Lackner realmente no da respuestas simples. Durante una caminata por el campus bordeado de palmeras de la universidad en Tempe, dice que sigue confiando en que la captura directa de aire es factible y cree que podría ser mucho menos costosa si es capaz de alcanzar una escala comercial.

Pero soy menos optimista de que tengamos la voluntad política para atravesar ese umbral, dice.

Dados los altos costos iniciales y los mercados limitados, cree que la tecnología necesitará una financiación gubernamental significativa o regulaciones estrictas para ser ampliamente adoptada, y más apoyo gubernamental para cubrir el costo de capturar y enterrar la mayor parte del dióxido de carbono que no se puede usar. . Él cree que tendremos que tratar el dióxido de carbono como aguas residuales, lo que requerirá que los consumidores o las empresas paguen por su recolección y eliminación, ya sea en forma de impuestos o tarifas.

Pero después de décadas de relativamente poca acción política sobre el cambio climático y una feroz resistencia pública a los impuestos al carbono, teme que el mundo no acepte esa forma de pensar hasta que el sufrimiento de las catástrofes climáticas se vuelva demasiado horrible para ignorarlo.

De lo que está seguro, después de pasar más tiempo que nadie pensando en la eliminación de carbono, es que lo vamos a necesitar. Soy el primero en admitir que la captura de aire no está probada, y ciertamente no está probada a escala, dice Lackner. Pero estamos en serios problemas si no podemos resolverlo.

esconder