Die zwei Jahrzehnte dauernde Suche eines Mannes, Treibhausgase aus dem Himmel zu saugen

Der große Metallbehälter im Labor von Klaus Lackner sieht nicht so aus, als könnte er den Planeten retten. Es ähnelt am ehesten einem Müllcontainer – was es auch ist.

Während Lackner zuschaut, die Hände in den Taschen seiner gebügelten Khakis, beginnt sich die Maschine zu verwandeln. Drei matratzenförmige Metallrahmen erheben sich aus den Eingeweiden des Behälters und entfalten sich wie eine Ziehharmonika, während sie sich zur Decke strecken.

Diese Geschichte war Teil unserer Ausgabe März 2019

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Jeder Rahmen enthält Hunderte von weißen Polymerstreifen, die mit Harzen gefüllt sind, die sich mit Kohlendioxidmolekülen verbinden. Die Streifen bilden eine Art Segel, das das Treibhausgas aus der Luft holen soll, wenn der Wind durch die Vorrichtung weht.

Entscheidend ist, dass dasselbe Material das Kohlendioxid freisetzt, wenn es nass ist. Dazu fährt Lackners Gerät seine Rahmen in ihren Behälter, der sich dann mit Wasser füllt. Das Gas kann als nächstes gesammelt und anderen Verwendungen zugeführt werden, und der Prozess kann von neuem beginnen.

Lackner und seine Kollegen vom Center for Negative Carbon Emissions der Arizona State University haben eine einfache Maschine mit einem großen Zweck gebaut: Kohlendioxid einzufangen und zu recyceln, um die Auswirkungen des Klimawandels zu mildern. Er stellt sich Wälder vor, die sich über die Landschaft erstrecken und Milliarden Tonnen davon aus der Atmosphäre saugen.

Lackner, 66, mit schütterem Silberhaar, arbeitet nun seit zwei Jahrzehnten an dem Problem. 1999 verfasste er als Teilchenphysiker am Los Alamos National Laboratory die erste wissenschaftliche Arbeit, in der er die Machbarkeit der Bekämpfung des Klimawandels durch das Entziehen von Kohlendioxid aus der Luft untersuchte. Seine Stimme war jahrelang einsam. Aber eine wachsende Menge ist auf seine Gedanken gekommen, während die Welt darum kämpft, die Klimaemissionen schnell genug zu senken, um eine katastrophale Erwärmung zu verhindern. Lackners Arbeit hat dazu beigetragen, eine Handvoll Start-ups im Bereich Direct-Air-Capture, darunter eines seiner eigenen, und eine wachsende Zahl wissenschaftlicher Literatur zu inspirieren. Es ist schwer, sich ein anderes Gebiet vorzustellen, das so sehr das Produkt des Denkens und der Interessenvertretung einer einzelnen Person ist, sagt David Keith, ein Harvard-Professor, der ein anderes dieser Startups, Carbon Engineering, mitbegründet hat. Klaus war ausschlaggebend für das Argument, dass [Direct Air Capture] in einem Maßstab entwickelt werden könnte, der für das Kohlenstoff-Klima-Problem relevant ist.

Niemand, einschließlich Lackner, weiß wirklich, ob das Schema funktionieren wird. Die Chemie ist einfach genug. Aber können wir wirklich annähernd genug CO2-Entfernungsmaschinen bauen, um den Klimawandel einzudämmen? Wer wird sie bezahlen? Und was machen wir mit all dem Kohlendioxid, das sie sammeln?

Der neueste Prototyp entfaltet sich, um Kohlenstoff aus der Luft zu holen. Klaus Lackner leistete Pionierarbeit auf dem Gebiet der direkten Lufterfassung. Spencer Lowell

Lackner erkennt die Unbekannten bereitwillig an, glaubt aber, dass je billiger der Prozess wird, desto praktikabler wird er. Wenn ich Ihnen sage: „Sie könnten das Kohlenstoffproblem für 1.000 Dollar pro Tonne lösen“, werden wir sagen: „Der Klimawandel ist ein Schwindel“, sagt Lackner. Aber wenn es 5 $ pro Tonne oder 1 $ pro Tonne sind, werden wir sagen: „Warum haben wir es noch nicht behoben?“

Einschränkung unserer Möglichkeiten

Die Kohlendioxidkonzentration in der Atmosphäre nähert sich 410 ppm. Dies hat die globalen Temperaturen bereits um fast 1 °C über das vorindustrielle Niveau getrieben und Dürren, Waldbrände und andere Naturkatastrophen verstärkt. Diese Gefahren werden sich nur verstärken, wenn die Emissionen weiter steigen.

Einige wissenschaftliche Kritiker fanden Lackners Projektionen nicht nur falsch, sondern gefährlich. Ein paar kritische Papiere im Jahr 2011 klangen für viele wie ein Todesstoß für die direkte Lufterfassung. Lackner war unerschrocken.

Die jüngste Bewertung des Zwischenstaatlichen Ausschusses der Vereinten Nationen für Klimaänderungen ergab, dass es keine Möglichkeit gibt, die globale Erwärmung auf 1,5 °C zu begrenzen oder zurückzubringen, ohne bis zum Ende des Jahrhunderts zwischen 100 Milliarden und einer Billion Tonnen Kohlendioxid zu entfernen. Im oberen Bereich bedeutet dies, dass fast drei Jahrzehnte der globalen Emissionen mit der aktuellen Rate umgekehrt werden müssen.

Es gibt eine Handvoll Möglichkeiten, Kohlendioxid aus der Atmosphäre zu ziehen. Dazu gehören das Pflanzen vieler Bäume, die Wiederherstellung von Grasland und anderen Flächen, die von Natur aus Kohlenstoff im Boden halten, und die Verwendung von Kohlendioxid saugenden Pflanzen und anderen Formen von Biomasse als Brennstoffquelle, wobei jedoch alle Emissionen bei ihrer Verwendung zurückgehalten werden (ein Prozess, der als Bio -Energie mit Kohlenstoffabscheidung und -speicherung).

Aber ein Bericht der US National Academies vom Oktober ergab, dass diese Ansätze allein wahrscheinlich nicht ausreichen werden, um eine Erwärmung von 2 °C zu verhindern – zumindest nicht, wenn wir essen wollen. Das liegt daran, dass die Menge an Land, die benötigt wird, um so viel Kohlendioxid einzufangen, auf Kosten einer riesigen Menge an landwirtschaftlicher Nahrungsmittelproduktion gehen würde.

Eine Nahaufnahme der kohlenstoffbindenden Materialien in einer grasähnlichen Konfiguration, einem früheren Design, das Kohlendioxid freisetzt, wenn es in ein Gewächshaus gestellt wird. Spencer Lowell

Der Reiz von Direct-Air-Capture-Geräten, wie sie Lackner und andere entwickeln, besteht darin, dass sie die gleiche Menge Kohlendioxid auf viel weniger Land absaugen können. Das große Problem ist, dass es im Moment viel billiger ist, einen Baum zu pflanzen. Bei den derzeitigen Kosten von etwa 600 US-Dollar pro Tonne würde die Gewinnung von einer Billion Tonnen etwa 600 Billionen US-Dollar kosten, mehr als das Siebenfache des jährlichen BIP der Welt.

Keith von Harvard errechnete letzten Sommer in einer Abhandlung, dass das Direct-Air-Capture-System, an dessen Entwicklung er mitgewirkt hat, letztendlich weniger als 100 Dollar pro Tonne im vollen Umfang kosten könnte. Carbon Engineering mit Sitz in British Columbia ist dabei, seine Pilotanlage zu erweitern, um die Produktion synthetischer Kraftstoffe zu steigern, die durch die Kombination des abgeschiedenen Kohlendioxids mit Wasserstoff entstehen. Diese wiederum werden in Formen von Diesel und Düsentreibstoff umgewandelt, die als CO2-neutral gelten, da sie keine Ausgrabung zusätzlicher fossiler Brennstoffe erfordern.

Wenn Keiths Methode Kohlendioxid für 100 US-Dollar pro Tonne einfangen kann, könnten diese synthetischen Kraftstoffe mit Unterstützung der öffentlichen Politik gewinnbringend auf Märkten verkauft werden, wie z. B. in Kalifornien mit seinen Standards für erneuerbare Kraftstoffe oder in der Europäischen Union gemäß ihrer aktualisierten Richtlinie für erneuerbare Energien. Die Hoffnung ist, dass diese Art von frühen Gelegenheiten dazu beitragen werden, die Technologie zu erweitern, die Kosten weiter zu senken und zusätzliche Märkte zu öffnen.

Andere Startups, darunter Climeworks aus der Schweiz und Global Thermostat aus New York, glauben, ähnliche oder sogar niedrigere Kosten erzielen zu können. Sie erkunden Märkte wie die Sodaindustrie und Gewächshäuser, die mit Kohlendioxid angereicherte Luft zur Düngung von Pflanzen verwenden.

Der Verkauf von Kohlendioxid ist jedoch keine einfache Angelegenheit.

Die weltweite Nachfrage ist relativ gering: in der Größenordnung von einigen hundert Millionen Tonnen pro Jahr, ein Bruchteil der zig Milliarden, die letztendlich jährlich entfernt werden müssen, so die Studie der National Academies. Darüber hinaus bezieht sich der größte Teil dieser Nachfrage auf eine verbesserte Ölrückgewinnung, eine Technik, die komprimiertes Kohlendioxid in Bohrlöcher drückt, um die letzten Tropfen Öl freizusetzen, was das Klimaproblem nur verschlimmert.

Eine entscheidende Frage für die Startups zur Kohlenstoffabscheidung ist, wie stark der Markt für Kohlendioxid wachsen könnte. Dutzende von Unternehmen suchen nach neuen Wegen, um es zum Laufen zu bringen. Dazu gehören das in Kalifornien ansässige Unternehmen Opus12, das Kohlendioxid zur Herstellung von Chemikalien und Polymeren verwendet, und CarbonCure aus Nova Scotia, das mit mehr als 100 Betonherstellern zusammenarbeitet, um Kohlendioxid in Calciumcarbonat umzuwandeln, das beim Abbinden im Beton eingeschlossen wird.

Ein Bericht der Global CO2 Initiative aus dem Jahr 2016 schätzt, dass der Markt für Produkte, die Kohlendioxid verwenden könnten – einschließlich flüssiger Brennstoffe, Polymere, Methanol und Beton – bis 2030 800 Milliarden US-Dollar erreichen könnte. Diese Branchen könnten etwa 7 Milliarden Tonnen pro Jahr verbrauchen Jahr – etwa 15 % der jährlichen globalen Emissionen.

Solche Prognosen sind jedoch äußerst optimistisch. Und selbst wenn eine so gewaltige Transformation mehrerer Sektoren tatsächlich stattfindet, werden immer noch riesige Mengen an gebundenem Kohlendioxid zurückbleiben, das dauerhaft im Untergrund gespeichert werden muss.

Die Hunderte von Polymerstreifen bilden eine Art Segel, das Kohlendioxidmoleküle erfasst, wenn der Wind Luft durch das Gerät bläst. Lackner späht durch ein frühes Modell eines Air-Capture-Geräts, dessen kohlenstoffbindendes Material zu einem Gitter geformt ist. Spencer Lowell

Das wird nur passieren, wenn die Gesellschaft beschließt, dafür zu bezahlen, und einige sind skeptisch, ob wir das jemals tun werden. Das Einfangen von Kohlendioxid aus der Luft – was bedeutet, ein einzelnes Molekül aus fast 2.500 anderen herauszulösen – ist eine der energieintensivsten und teuersten Möglichkeiten, die wir uns vorstellen können, um mit dem Klimawandel fertig zu werden. Direct Air Capture ist teurer als die Vermeidung von Emissionen, aber im Moment sind wir nicht einmal bereit, das zusätzliche Geld dafür auszugeben, sagt Ken Caldeira, Klimawissenschaftler an der Carnegie Institution. Die Idee, dass wir durch Air Capture zu negativen zivilisatorischen Emissionen kommen, scheint mir also nur eine Fantasie zu sein.

Roboter, die Roboter bauen

An einem Sommerabend im Jahr 1992, als Lackner Forscher am Los Alamos National Laboratory war, tranken er und ein anderer Teilchenphysiker ein Bier und beschwerten sich über den Mangel an großen, mutigen Ideen in der Wissenschaft. Ein, zwei Drinks später hatten sie einen eigenen: Was wäre möglich, wenn Maschinen Maschinen bauen könnten? Wie groß und schnell könntest du Dinge herstellen?

Sie erkannten schnell, dass der einzige Weg, wie das Schema funktionieren würde, darin besteht, Roboter zu entwerfen, die alle ihre eigenen Rohstoffe aus Erde ausgraben, Solarzellen bauen, um den Prozess anzutreiben – und immer mehr Kopien von sich selbst machen.

Am nächsten Morgen entschieden Lackner und sein Freund Christopher Wendt von der University of Wisconsin-Madison, dass sie eine Idee hatten, die es wert war, untersucht zu werden. Sie veröffentlichten schließlich ein Papier, in dem sie die Mathematik ausarbeiteten und mehrere Anwendungen untersuchten, darunter selbstreplizierende Roboter, die riesige Mengen Kohlendioxid einfangen und in Karbonatgestein umwandeln könnten.

Mein Argument war immer, dass wir passiv sein müssen, sagt Lackner. Wir wollen ein Baum sein, der im Wind steht und das CO2 zu uns tragen lassen.

Die Roboterarmada, Solaranlagen, Kohlenstoffumwandlungsmaschinen und Steinhaufen würden alle exponentiell wachsen und in weniger als einem Jahrzehnt die Größe eines Kontinents erreichen, schloss das Papier. Die Umwandlung von 20 % des Kohlendioxids in der Atmosphäre würde eine 50 Zentimeter (20 Zoll) dicke Gesteinsschicht erzeugen, die eine Million Quadratkilometer (390.000 Quadratmeilen) bedeckt – eine Fläche von der Größe Ägyptens.

Der Haken ist natürlich, dass es keine selbstreplizierenden Maschinen gibt. Lackner ging von diesem Teil des Plans aus und konzentrierte sich kurz auf Solarenergie als Ersatz für fossile Brennstoffe. Aber je mehr er sich mit dem Problem befasste, desto mehr kam er zu der Überzeugung, dass erneuerbare Quellen Schwierigkeiten haben würden, mit dem Preis, der Fülle und der Energiedichte von Kohle, Öl und Benzin zu konkurrieren.

Dies deutete für mich darauf hin, dass die auf fossilen Brennstoffen basierende Energie nicht einfach umkippen und sterben wird, sagt er. Aber wenn die Technologien zur CO2-Entfernung billig genug wären, dachte er, könnte man die Anbieter fossiler Brennstoffe vielleicht dazu zwingen, hinter sich selbst aufzuräumen.

Ein paar Jahre später veröffentlichte Lackner ein Papier mit dem Titel Kohlendioxidextraktion aus Luft: Ist es eine Option? Er argumentierte, dass es technisch machbar sei und für nur 15 Dollar pro Tonne möglich sein könnte. (Er glaubt jetzt, dass der Mindestpreis wahrscheinlich zwischen 30 und 50 Dollar pro Tonne liegt.)

Im Jahr 2001 wechselte Lackner an die Columbia University, wo er Global Research Technologies mitbegründete, das erste Unternehmen zur Kommerzialisierung von Direct Air Capture. Gary Comer, Gründer des Bekleidungs- und Möbelunternehmens Lands’ End, überreichte dem Unternehmen 8 Millionen Dollar von dem, was Lackner als Abenteuerkapital und nicht als Risikokapital bezeichnet.

Das Unternehmen baute einen kleinen Prototyp, doch bald ging ihm das Geld aus. Eine Gruppe von Investoren kaufte die Mehrheitsbeteiligung, verlegte sie nach San Francisco und benannte sie in Kilimanjaro Energy um. Lackner diente als Berater und Vorstandsmitglied. Aber es schloss stillschweigend seine Türen, nachdem es versäumt hatte, mehr Geld zu sammeln.

Trotz dieser Misserfolge versuchte Lackner weiterhin, herauszufinden, wie Lufterfassung kostengünstig und effizient durchgeführt werden kann. Er hat mehr als 100 wissenschaftliche Arbeiten und Leitartikel zu diesem Thema veröffentlicht und mehr als zwei Dutzend Patente angemeldet.

Einige wissenschaftliche Kritiker fanden Lackners Projektionen jedoch nicht nur falsch, sondern auch gefährlich. Sie befürchteten, dass die Forderung nach einer direkten Luftabscheidung billig und einfach durchgeführt werden könnte, den Druck verringern würde, die Emissionen zu reduzieren. Im Jahr 2011 kamen zwei Studien zu dem Schluss, dass die Technologie zwischen 600 und 1.000 US-Dollar pro Tonne kosten würde.

Howard Herzog, ein leitender Forscher bei der MIT Energy Initiative, der eine der Studien mitverfasste, unternahm den zusätzlichen Schritt, anzunehmen, dass einige Lieferanten der Technologie Schlangenölverkäufer waren. In einem Interview letztes Jahr sagte mir Herzog, er rede hauptsächlich von Lackner. Er war derjenige, der wirklich da draußen war, sagt er.

Viele lesen die Schlussfolgerungen der beiden Papiere als Todesstoß für die direkte Lufterfassung. Lackner blieb standhaft und sagte der Zeitschrift Nature, nachdem die erste der Studien veröffentlicht worden war: Sie bewiesen, dass eine bestimmte Methode zur Abscheidung von Kohlendioxid aus der Luft teuer ist. Wenn Sie Pinguine studieren, kommen Sie vielleicht zu dem Schluss, dass Vögel nicht fliegen können.

Spencer Lowell

Im Jahr 2014 gründeten er und sein Mitbegründer von Global Research Technologies, Allen Wright, das Center for Negative Carbon Emissions im Bundesstaat Arizona, wo sie weiterhin versuchen, ihren eigenen Jungvogel zum Fliegen zu bringen.

Künstliche Wälder pflanzen

Das Herzstück des Designs des Zentrums für negative Kohlenstoffemissionen ist eine bestimmte Art von kommerziell erhältlichem Anionenaustauscherharz. Wenn der Wind Kohlendioxid in der Luft über diese Polymerstreifen trägt, verbinden sich negativ geladene Ionen mit den Gasmolekülen und wandeln sie in Bikarbonat um – die Hauptverbindung in Backpulver und Antazida.

Die Maschine zieht sich dann zurück, zieht diese gesättigten Streifen zurück in den Behälter und pumpt ihn mit Wasser voll. Das Wasser beginnt, die Bicarbonatmoleküle in Carbonationen umzuwandeln.

Wenn das Wasser abfließt, werden diese Verbindungen instabil und verwandeln sich in der Luft innerhalb des Behälters wieder in Kohlendioxid. Die nun kohlendioxidreiche Luft kann dann durch ein Rohr abgesaugt und in einen angrenzenden Tanksatz geleitet werden.

Da Kohlendioxid in der Luft relativ verdünnt ist, verwenden die meisten anderen direkten Abscheidungsansätze große Ventilatoren, um Luft über die Bindematerialien zu blasen, um mehr Gas einzufangen. Sie verwenden dann Wärme, um die nachfolgenden Reaktionen anzutreiben, die das Kohlendioxid freisetzen. Beide Schritte verbrauchen mehr Energie. Im Gegensatz dazu, sagt Lackner, benötigt sein und Wrights Ansatz nur ein wenig Strom, um die Maschine aus- und einzufahren, das Wasser zu pumpen und die Luft abzusaugen.

Mein Argument war immer, dass wir passiv sein müssen, sagt Lackner. Wir wollen ein Baum sein, der im Wind steht und das CO2 zu uns tragen lassen.

Aber es gibt große Nachteile dieser Methode. Es funktioniert nur bei Wind und ist nur in trockenen Gegenden sinnvoll, da Feuchtigkeit das Kohlendioxid entweichen lässt. Darüber hinaus beträgt die Konzentration des abgeschiedenen Kohlenstoffs im resultierenden Gas weniger als 5 %, verglichen mit etwa 98 % in einer Anlage von Carbon Engineering oder Climeworks.

Eine entscheidende Frage für Start-ups im Bereich der Kohlenstoffabscheidung ist, wie stark der Markt für Kohlendioxid wachsen könnte. Dutzende von Unternehmen suchen nach neuen Wegen, um es zum Laufen zu bringen.

Dieses niedrige Niveau ist gut für die Düngung von Pflanzen in Gewächshäusern. Aber das ist ein winziger Markt, und Lackner hat größere Designs.

Er stellt sich vor, wie Tausende dieser Maschinen in einem trockenen und heißen Teil der Welt Kohlendioxid vom Himmel pflücken, während benachbarte Solarmodule einen Elektrolyseprozess antreiben, der Wasserstoff aus Wasser extrahiert. Das Kohlendioxid und der Wasserstoff könnten dann vor Ort kombiniert werden, um täglich Tausende von Fässern synthetischen Kraftstoffs zu produzieren, der zum Heizen oder für den Transport verkauft oder zur Einspeisung in das Stromnetz verwendet werden könnte, wenn erneuerbare Energien wie Wind und Sonne Flagge zeigen.

Dieser Plan bringt jedoch einige Herausforderungen mit sich. Die Elektrolyse ist immer noch sehr teuer. Und sie müssten das Kohlendioxid auf die erforderliche Konzentration komprimieren und gleichzeitig Wasserdampf, Stickstoff und Sauerstoff entfernen.

Das ist möglich, könnte aber die Kosten und den Energiebedarf erheblich erhöhen. Dies ist ein großes, wichtiges Stück, das er ein wenig beschönigt, sagt Jennifer Wilcox, Professorin am Worcester Polytechnic Institute und Mitautorin des Berichts der National Academies.

Einige glauben, dass Lackners Stärken als Theoretiker und Big-Picture-Typ ihm bei der Umsetzung dieser Ideen in die notwendigen Fortschritte in den Materialwissenschaften und der Chemie nicht so gut gedient haben. Bemerkenswert ist, dass das Projekt Center for Negative Carbon Emissions deutlich hinter Carbon Engineering, Climeworks und Global Thermostat zurückbleibt, die Kapital anhäufen, Mitarbeiter einstellen und Demonstrationsanlagen, wenn nicht gar kommerzielle Einrichtungen bauen.

Aber Lackner bleibt zuversichtlich, dass sein Ansatz günstiger sein wird als die der Konkurrenz. Ich kann es Prozesseinheit für Prozesseinheit auslegen, und in Bezug auf die Grundprinzipien sind wir bei jedem Schritt ein wenig billiger, sagt er.

Große Schwierigkeiten

Wie beurteilt Lackner selbst die Perspektiven der Technologie mehr als zwei Jahrzehnte nach Beginn dieses Forschungsweges? Es ist keine einfache Antwort. Lackner gibt keine wirklich einfachen Antworten. Während eines Spaziergangs über den von Palmen gesäumten Campus der Universität in Tempe sagt er, er sei weiterhin zuversichtlich, dass die direkte Lufterfassung machbar ist, und glaubt, dass es viel billiger werden könnte, wenn es in der Lage wäre, kommerzielle Maßstäbe zu erreichen.

Aber ich bin weniger optimistisch, dass wir den politischen Willen haben, diese Schwelle zu überschreiten, sagt er.

Angesichts der hohen Anfangskosten und begrenzten Märkte glaubt er, dass die Technologie erhebliche staatliche Mittel oder strenge Vorschriften benötigen wird, um weit verbreitet zu werden – und mehr staatliche Unterstützung, um die Kosten für die Abscheidung und Vernichtung des Großteils des Kohlendioxids zu decken, das nicht verwendet werden kann . Er ist der Meinung, dass wir Kohlendioxid wie Abwasser behandeln müssen und Verbraucher oder Unternehmen für seine Sammlung und Entsorgung bezahlen müssen, sei es in Form von Steuern oder Gebühren.

Aber nach Jahrzehnten relativ wenig politischer Maßnahmen gegen den Klimawandel und heftigem öffentlichen Widerstand gegen CO2-Steuern befürchtet er, dass die Welt nicht zu dieser Denkweise zurückkehren wird, bis das Leiden unter Klimakatastrophen zu schrecklich wird, um es zu ignorieren.

Worüber er sich sicher ist, nachdem er mehr Zeit als jeder andere damit verbracht hat, über die CO2-Entfernung nachzudenken, ist, dass wir sie brauchen werden. Ich bin der Erste, der zugibt, dass Air Capture nicht bewiesen ist – und es ist sicherlich nicht im Maßstab bewiesen, sagt Lackner. Aber wir sind in großen Schwierigkeiten, wenn wir es nicht herausfinden können.

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