Спасти планету: что советуют ученые для преодоления климатического кризиса

В прошлом году средняя температура на планете на 1,5°С превысила показатели доиндустриальной эпохи и поставила под угрозу выполнение целей Парижского климатического соглашения. Глобальное потепление вызывает все большее беспокойство у климатологов и ученых, которые призывают к радикальным мерам для взятия ситуации под контроль. Некоторые из предложенных вариантов кажутся угрожающими и немного безумными, однако ученые утверждают, что по другому решить ситуацию не удастся.

Геоинженерия

Геоинженерия предусматривает использование технологических решений для воздействия на климат с целью снижения температуры, или изменения количества осадков. В частности, наиболее известным из предложенных методов является распыление аэрозолей, которые будут рассеивать солнечный свет и уменьшать дальнейшее нагревание атмосферы.

Среди прочего, исследователи из Университетского колледжа Лондона недавно предложили использовать большие самолеты, такие как Boeing 777F для впрыска в стратосферу диоксида серы. До этого уже предлагался вариант по распылению диоксида серы над тропиками на высоте около 20 км.

Однако оказалось, что нынешние самолеты не смогут этого сделать, а необходимо будет разрабатывать совершенно новые, на что может уйти много лет. По результатам моделирования ученые выяснили, что впрыск диоксида серы в стратосфере способен снизить температуру на планете на 0,6°С.

Однако это необходимо делать на высоте около 13 км вблизи полюсов. Почему именно в стратосфере? Потому что в более низких слоях атмосферы эти аэрозольные частицы будут развеиваться облаками и выпадать с дождями.

Стратосфера остается сухой и свободной от облаков, так что аэрозоли смогут находиться там в течение месяцев, а может и даже лет, в зависимости от того, с какой высоты их будут распылять. Подсчеты исследователей из Университетского колледжа Лондона продемонстрировали, что для того, чтобы эффективно охладить планету, необходимо будет впрыскивать 12 млн метрических тонн диоксида серы в год на высоте 13 км весной и летом для каждого полушария.

Однако у такого подхода есть и весомые недостатки. Во-первых, это риск выпадения кислотных дождей. С другой стороны, никто точно не знает, как будут вести себя эти аэрозольные частицы во взаимодействии с другими антропогенными веществами и парниковыми газами в стратосфере.

Кроме этого такое искусственное охлаждение планеты может привести к существенному падение урожайности и спровоцировать продовольственный кризис во многих бедных и развивающихся странах. Если делать такое распыление исключительно в Южном полушарии, это спровоцирует рост количества тропических циклонов, а если — только в Северном — уменьшит количество тропических циклонов, однако вызовет рекордную засуху в Африке.

По некоторым оценкам, распыление сульфатных аэрозолей может привести к непредсказуемым последствиям, в частности, еще более стремительного потепления мирового океана. Кроме этого, масштабная реализация такого проекта потребует финансирования в размере не менее нескольких миллиардов долларов ежегодно в течение по крайней мере 15 лет подряд.

Другим вариантом может стать распыление аэрозолей морской соли, где соль будет выступать в качестве ядер, вокруг которых будут конденсироваться капли воды в облаках. Такие облака будут удерживать больше влаги и лучше отражать солнечный свет за счет образования более мелких капель.

В одном из исследования ученые подтверждают, что аэрозоли на самом деле гораздо сильнее влияют на отражательную способность облаков, чем считалось. Для того чтобы частицы соли попали в облака, предлагается впрыскивать аэрозоли в слои морских облаков путем распыления морской воды с помощью форсунок, способных превращать соленую воду в мелкие частицы.

Существенным преимуществом этого процесса может стать возможность более значительного охлаждения полюсов по сравнению с тропиками, что замедлит таяние льда. Этот процесс не требует токсичных химикатов, является доступным и осуществимым. Однако использование аэрозолей с морской солью приведет к сокращению количества осадков и может катастрофическим образом повлиять на климат в отдельных регионах.

Среди остальных вариантов, введение микропузырьков в водоемы или морскую пену для распыления их на поверхность океана. Это повысит отражающую способность водной поверхности и приведет к снижению поглощения и меньшему преобразованию солнечной энергии в тепло. Однако в больших масштабах этот проект представляется очень сложным и дорогостоящим.

Одним из первых проектов по проверке эффективности использования аэрозолей в атмосфере должен был стать проект гарвардских ученых SCoPEx (Stratospheric Controlled Perturbation Experiment). Он имел целью проверку возможности искусственного охлаждения планеты путем распыления в стратосфере частиц карбоната кальция, не таких опасных по воздействию по сравнению с диоксидом серы. Однако его реализация столкнулась с трудностями в США, а затем столкнулась с сопротивлением экологов и ученых в Швеции. Впоследствии от проекта решили отказаться.

Тем временем стартап Make Sunsets из Калифорнии еще в 2023 году заявил о начале запуска метеозондов, которые будут выбрасывать в стратосферу диоксид серы. Как утверждают основатели стартапа, один грамм диоксида серы, распыляемого в верхних слоях атмосферы, нейтрализует выброс одной тонны углерода в течение одного года.

Стартап провел пробные запуски воздушных шаров-распылителей на территории Мексики. Среди прочего стартап собирает донаты с желающих помочь в охлаждении планеты и даже предлагает полеты на таких шарах и непосредственное участие в процессе распыления.

Немалое количество ученых и экологов критикуют этот проект, называя его преждевременным и непродуманным, таким, что может привести к неожиданным последствиям. Однако основатель стартапа Люк Айсман планирует увеличить объемы диоксида серы, которые будут выбрасываться в стратосфере, а также хочет оснастить воздушные шары телеметрическим оборудованием и другими датчиками для определения эффективности.

Улавливание CO₂ 

Процесс улавливания углерода предусматривает его изъятие из выбросов промышленных предприятий, в частности, электростанций, нефтеперерабатывающих заводов и других несколькими путями. Например, уголь, отходы и другую биомассу можно превращать в синтез-газ, а после отделять от него CO₂.

Путем абсорбции с помощью растворителя, или адсорбции или мембранного разделения CO₂отделяется от водорода Очищенный водород сжигается для получения энергии, а CO₂, выделенный на предыдущем этапе, улавливается и может быть безопасно захоронен или использован в других промышленных процессах. Такие технологии могут быть не из дешевых и требуют модернизации оборудования, однако предлагают более эффективное улавливание углерода по сравнению с улавливанием из выбросов в результате сжигания ископаемого топлива.

Другим способом является улавливание CO₂ из дыма, образующегося в процессе сжигания топлива. CO₂отделяется от дымовых газов, обычно с использованием растворителей, таких как амины, сжимается и транспортируется к месту хранения. Преимущественно углерод хранят в таких геологических формациях как соляные отложения или истощенные нефтяные и газовые месторождения. Углекислый газ часто используют для закачки под давлением в нефтяные резервуары для извлечения отложений из стареющих нефтяных месторождений и добычи нефти, которая в противном случае была бы недоступна.

Еще одним вариантом может быть сжигание топлива в условиях чистого кислорода. Это позволяет получить высококонцентрированный поток CO₂, который легче улавливать и хранить Это приводит к образованию в основном CO₂ и водяного пара Водяной пар конденсируется, оставляя концентрированный поток CO₂.

В частности, среди последних достижений, заслуживающих внимания, натрий-воздушный топливный элемент, созданный исследователями из Массачусетского технологического института (MIT). Ученые добились более высокой плотности энергии в электрическом аккумуляторе заменив жидкий электролит на твердый топливный элемент.

В рамках эксперимента они использовали две вертикальные стеклянные трубки, которые соединили посередине с помощью твердого керамического электролита и пористого воздушного электрода. В одной из трубок находился жидкий натрий, а в другой — воздух.

В ходе химической реакции образовывался оксид натрия и энергия. Контролируя влажность потока воздуха, ученые успешно сгенерировали 1700 Вт⋅ч на килограмм каждой батареи. Это может стать перспективным решением для такого тяжелого электрического транспорта, как самолеты и корабли. А главное, что оксид натрия, который выделяется топливным элементом, вступает в реакцию с влажным воздухом, образуя гидроксид натрия. Тот вступает в реакцию с углекислым газом и образует карбонат натрия, а затем — бикарбонат натрия, или пищевую соду. Кроме очистки атмосферы от CO₂ бикарбонат натрия может попадать в океаны и уменьшать уровень их закисления.

Однако исследователи из Мичиганского университета во главе с химиком Чарльзом Маккрори совместно с лабораториейХесуса Веласкеса в Калифорнийском университете и лабораторией Анастасии Александровой в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе разработали новый метод улавливания CO₂ с последующим превращением его в оксалаты металлов, которые можно использовать как прекурсоры для производства цемента.

Исследователи отмечают, что одним из типов материалов, которые можно использовать как альтернативный прекурсор цемента, являются оксалаты металлов, простые соли.

Ученые добавляют, что свинец можно использовать в качестве катализатора для облегчения протекания химических реакций по преобразованию CO₂на оксалаты металлов. Однако это требует большого количества свинцовых катализаторов, что представляет опасность для окружающей среды и здоровья человека.

В своей работе исследователи использовали полимеры, сократив необходимое количество свинца до одной частицы на миллиард. Для того чтобы получить оксалаты, ученые используют набор электродов.

На одном из них CO₂превращается в оксалат. Другой металлический электрод окисляется и высвобождает ионы металла, которые связываются с ионами оксалата и осаждают его из раствора в виде твердого оксалата металла. Маккрори утверждает, что после того, как углекислый газ превращается в твердый оксалат металла, он не попадет повторно в атмосферу при нормальных условиях.

В то же время ученые из Кембриджского университета разработали реактор, работающий на солнечной энергии и улавливающий CO₂ прямо из воздуха, превращая его в синтез-газ. В отличие от традиционных методов улавливания CO₂ и хранения его глубоко под землей, новый реактор работает исключительно на солнечной энергии и предлагает экологическую и прибыльную альтернативу.

Реактор состоит из системы со специальными фильтрами, которые ночью улавливают CO₂ из воздуха. Днем солнечный свет нагревает уловленный углекислый газ, поглощая инфракрасное излучение. Одновременно полупроводниковый порошок абсорбирует ультрафиолетовое излучение, запуская химическую реакцию, превращающую CO₂ в смесь водорода и оксида углерода.

Выводы

Это лишь несколько примеров перспективных разработок, которые можно масштабировать для эффективного улавливания CO₂. Также некоторые ученые предлагают усилить фотосинтез таких растений как рис, пшеница, хлопок и деревья для более эффективного улавливания ими CO₂ и захоронения его в Земле Среди прочего усиленный фотосинтез способен замедлить скорость закисления океана.

На сегодня улавливание CO₂ и его дальнейшее использование в качестве сырья, а не просто захоронение и хранение, выглядит наиболее перспективным при условии масштабирования соответствующих технологий.