Врятувати планету: що радять науковці для подолання кліматичної кризи

Минулого року середня температура на планеті на 1,5°С перевищила показники доіндустріальної епохи та поставила під загрозу виконання цілей Паризької кліматичної угоди. Глобальне потепління викликає все більше занепокоєння в кліматологів та науковців, які закликають до радикальних заходів для взяття ситуації під контроль. Деякі з запропонованих варіантів здаються загрозливими і трохи шаленими, однак вчені стверджують, що по іншому вирішити ситуацію не вдасться.

Геоінженерія

Геоінженерія передбачає використання технологічних рішень для впливу на клімат з метою зниження температури, або зміни кількості опадів. Зокрема, найбільш відомим з запропонованих методів є розпилення аерозолів, які розсіюватимуть сонячне світло і зменшуватимуть подальше нагрівання атмосфери.

Серед іншого, дослідники з Університетського коледжу Лондона нещодавно запропонували використовувати великі літаки, такі як Boeing 777F для впорскування у стратосферу діоксиду сірки. До цього вже пропонувався варіант щодо розпилення діоксиду сірки над тропіками на висоті близько 20 км.

Однак виявилось, що теперішні літаки не зможуть цього зробити, а необхідно буде розробляти абсолютно нові, на що може піти багато років. За результатами моделювання науковці з’ясували, що впорскування діоксиду сірки у стратосфері здатне знизити температуру на планеті на 0,6°С.

Однак це необхідно робити на висоті близько 13 км поблизу полюсів. Чому саме у стратосфері? Тому що у нижчих шарах атмосфери ці аерозольні частинки розвіюватимуться хмарами та випадатимуть із дощами.

Стратосфера ж залишається сухою і вільною від хмар, отже аерозолі зможуть перебувати там протягом місяців, а може й навіть років, залежно від того, з якої висоти їх будуть розпилювати. Підрахунки дослідників з Університетського коледжу Лондона продемонстрували, що для того, щоб ефективно охолодити планету, необхідно буде впорскувати 12 млн метричних тонн діоксиду сірки на рік на висоті 13 км навесні та влітку для кожної півкулі.

Однак у такого підходу є і вагомі недоліки. По-перше, це ризик випадіння кислотних дощів. З іншого боку, ніхто точно не знає, як поводитимуться ці аерозольні частинки у взаємодії з іншими антропогенними речовинами та парниковими газами у стратосфері.

Окрім цього таке штучне охолодження планети може призвести до суттєвого падіння врожайності та спровокувати продовольчу кризу у багатьох бідних країнах та тих, що розвиваються. Якщо ж здійснювати таке розпилення виключно у Південній півкулі, це спровокує зростання кількості тропічних циклонів, а якщо — тільки у Північній — зменшить кількість тропічних циклонів, однак викличе рекордну посуху в Африці.

За деякими оцінками, розпилення сульфатних аерозолів може призвести до непередбачуваних наслідків, зокрема, ще більш стрімкого потепління світового океану. Окрім цього, масштабна реалізація такого проєкту потребуватиме фінансування у розмірі щонайменше кількох мільярдів доларів щорічно протягом принаймні 15 років поспіль.

Іншим варіантом може стати розпилення аерозолів морської солі, де сіль виступатиме у якості ядер, навколо яких конденсуватимуться краплі води у хмарах. Такі хмари утримуватимуть більше вологи та краще відбиватимуть сонячне світло коштом утворення більш дрібних крапель.

В одному з досліджень науковці підтверджують, що аерозолі насправді набагато сильніше впливають на відбивальну здатність хмар, ніж вважалось. Для того аби частинки солі потрапили у хмари, пропонується впорскувати аерозолі в шари морських хмар шляхом розпилення морської води за допомогою форсунок, здатних перетворювати солону воду на дрібні частинки. 

Суттєвою перевагою цього процесу може стати можливість більш значного охолодження полюсів порівняно із тропіками, що уповільнюватиме танення льоду. Цей процес не вимагає токсичних хімікатів, є доступним та здійсненним. Однак використання аерозолів з морською сіллю призводитиме до скорочення кількості опадів і може катастрофічним чином вплинути на клімат в окремих регіонах. 

Серед решти варіантів, введення мікробульбашок у водойми або морську піну для розпилення їх на поверхню океану. Це підвищить відбиваючу здатність водної поверхні та призведе до зниження поглинання та меншого перетворення сонячної енергії на тепло. Однак у великих масштабах цей проєкт видається дуже складним і вартісним. 

Одним з перших проєктів з перевірки ефективності використання аерозолів в атмосфері мав стати проєкт гарвардських вчених SCoPEx (Stratospheric Controlled Perturbation Experiment). Він мав на меті перевірку можливості штучного охолодження планети шляхом розпилювання у стратосфері частинок карбонату кальцію, не таких небезпечних за впливом порівняно із діоксидом сірки. Проте його реалізація зіштовхнулась із труднощами у США, а потім зіткнулась зі спротивом екологів і вчених у Швеції. Згодом від проєкту вирішили відмовитись. 

Тим часом стартап Make Sunsets з Каліфорнії ще у 2023 році заявив про початок запуску метеозондів, що викидатимуть у стратосферу діоксид сірки. Як стверджують засновники стартапа, один грам діоксиду сірки, що розпорошується у верхніх шарах атмосфери, нейтралізує викид однієї тонни вуглецю протягом одного року.

Стартап провів пробні запуски повітряних куль-розпилювачів на території Мексики. Серед іншого стартап збирає донати з охочих допомогти в охолодженні планети та навіть пропонує польоти на таких кулях і безпосередню участь у процесі розпилення.

Чимала кількість науковців та екологів критикують цей проєкт, називаючи його передчасним і непродуманим, таким, що може призвести до неочікуваних наслідків. Проте засновник стартапа Люк Айсман планує збільшити обсяги діоксиду сірки, що викидатимуться у стратосфері, а також хоче оснастити повітряні кулі телеметричним обладнанням та іншими датчиками для визначення ефективності.

Вловлювання CO₂ 

Процес вловлювання вуглецю передбачає його вилучення з викидів промислових підприємств, зокрема, електростанцій, нафтопереробних заводів та інших кількома шляхами. Наприклад, вугілля, відходи та іншу біомасу можна перетворювати на синтез-газ, а після відділяти від нього CO₂.

Шляхом абсорбції за допомогою розчинювача, або адсорбції чи мембранного розділення CO₂ відокремлюється від водню. Очищений водень спалюється для отримання енергії, а CO₂, виділений на попередньому етапі, уловлюється і може бути безпечно похований або використаний в інших промислових процесах. Такі технології можуть бути не з дешевих і вимагають модернізації обладнання, однак пропонують більш ефективне вловлювання вуглецю порівняно з вловлюванням з викидів в результаті спалювання викопного палива. 

Іншим способом є вловлювання CO₂ з диму, що утворюється у процесі спалювання палива. CO₂ відокремлюється від димових газів, зазвичай з використанням розчинників, таких як аміни, стискається і транспортується до місця зберігання. Переважно вуглець зберігають у таких геологічних формаціях як соляні відкладення або виснажені нафтові та газові родовища. Вуглекислий газ часто використовують для закачування під тиском у нафтові резервуари для вилучення відкладень зі старіючих нафтових родовищ і видобутку нафти, яка в іншому випадку була б недоступна.

Ще одним варіантом може бути спалювання палива за умов чистого кисню. Це дозволяє отримати висококонцентрований потік CO₂, який легше вловлювати та зберігати. Це призводить до утворення в основному CO₂ та водяної пари. Водяна пара конденсується, залишаючи концентрований потік CO₂.

Зокрема, серед останніх досягнень, що заслуговують на увагу, натрій-повітряний паливний елемент, створений дослідниками з Массачусетського технологічного інституту (MIT). Науковці домоглись вищої щільності енергії в електричному акумуляторі замінивши рідкий електроліт на твердий паливний елемент.

У рамках експерименту вони використали дві вертикальні скляні трубки, які з’єднали посередині за допомогою твердого керамічного електроліту та пористого повітряного електрода. В одній з трубок знаходився рідкий натрій, а в іншій — повітря.

В ході хімічної реакції утворювався оксид натрію та енергія. Контролюючи вологість потоку повітря, науковці успішно згенерували 1700 Втгод на кілограм кожної батареї. Це може стати перспективним рішенням для такого важкого електричного транспорту, як літаки та кораблі. А головне, що оксид натрію, який виділяється паливним елементом, вступає в реакцію з вологим повітрям, утворюючи гідроксид натрію. Той вступає у реакцію з вуглекислим газом та утворює карбонат натрію, а згодом — бікарбонат натрію, або ж харчову соду. Окрім очищення атмосфери від CO₂ бікарбонат натрію може потрапляти в океани та зменшувати рівень їхнього закислення.

Проте дослідники з Мічиганського університету на чолі з хіміком Чарльзом Маккрорі спільно з лабораторією Хесуса Веласкеса у Каліфорнійському університеті та лабораторією Анастасії Олександрової у Каліфорнійському університеті в Лос-Анджелесі розробили новий метод вловлювання CO₂ із подальшим перетворенням його на оксалати металів, які можна використовувати як прекурсори для виробництва цементу. 

Дослідники зазначають, що одним з типів матеріалів, які можна використовувати як альтернативний прекурсор цементу, є оксалати металів, прості солі.

Науковці додають, що свинець можна використовувати як каталізатора для полегшення протікання хімічних реакцій з перетворення CO₂ на оксалати металів. Однак це вимагає великої кількості свинцевих каталізаторів, що становить небезпеку для довкілля та здоров’я людини.

У своїй роботі дослідники використали полімери, скоротивши необхідну кількість свинцю до однієї частинки на мільярд. Для того, щоб отримати оксалати науковці використовують набір електродів.

На одному з них CO₂ перетворюється на оксалат. Інший металевий електрод окислюється і вивільняє іони металу, що зв’язуються з іонами оксалату і осаджують його з розчину у вигляді твердого оксалату металу. Маккрорі стверджує, що після того, як вуглекислий газ перетворюється на твердий оксалат металу, він не потрапить повторно в атмосферу за нормальних умов.

Водночас науковці з Кембриджського університету розробили реактор, що працює на сонячній енергії та вловлює CO₂ просто з повітря, перетворюючи його на синтез-газ. На відміну від традиційних методів вловлювання CO₂ та зберігання його глибоко під землею, новий реактор працює виключно на сонячній енергії та пропонує екологічну та прибуткову альтернативу.

Реактор складається з системи зі спеціальними фільтрами, які вночі вловлюють CO₂ з повітря. Вдень сонячне світло нагріває вловлений вуглекислий газ, поглинаючи інфрачервоне випромінювання. Одночасно напівпровідниковий порошок абсорбує ультрафіолетове випромінювання, запускаючи хімічну реакцію, що перетворює CO₂ на суміш водню та оксиду вуглецю.

Висновки

Це лише кілька прикладів перспективних розробок, які можна масштабувати для ефективного вловлювання CO₂. Також деякі науковці пропонують підсилити фотосинтез таких рослин як рис, пшениця, бавовна та дерева для більш ефективного вловлювання ними CO₂ і поховання його у Землі. Серед іншого посилений фотосинтез здатний уповільнити швидкість закислення океану

На сьогодні вловлювання CO₂ та його подальше використання як сировини, а не просто поховання і зберігання, виглядає найбільш перспективним за умови масштабування відповідних технологій.