Глобальный климат-контроль: помогут ли технологии в борьбе с потеплением?

Системы прямого захвата углекислого газа из атмосферы могут внести решающий вклад в борьбу с глобальным потеплением. Таков вывод ученых из Калифорнийского университета в Сан-Диего, чье исследование опубликовал в январе научный журнал Nature. О подобной технологии было известно и ранее, теперь же впервые произведены детальные расчеты: сколько установок потребуется, как дорого они будут стоить.

По мнению опрошенных журналом «Профиль» экспертов, в ближайшие годы ждать развертывания подобных систем рано. Но сам факт появления таких проектов говорит о том, что достигнут идеологический консенсус: раз человек неизбежно влияет на природу и вернуть «потерянный рай» невозможно, развитие цивилизации должно быть ускорено для выработки решений, минимизирующих вред. Мы породили изменение климата — мы должны взять его под контроль. Но выполнима ли эта миссия?

Деньги из воздуха

Если переход на возобновляемые источники энергии (ВИЭ) влияет на климат опосредованно, то технологии «негативной эмиссии» изначально создаются для противодействия глобальному потеплению. По оценке Международной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК), для выполнения целей Парижского соглашения до конца XXI века необходимо удалить из атмосферы до 1 трлн тонн углекислого газа. Прямым ответом на этот вызов является идея прямого захвата CO₂ (direct air capture, DAC), варианты реализации которой появляются с 2000-х годов.

На данный момент известно порядка 10 компаний, разрабатывающих установки DAC. Эти приборы, получившие в Сети меткое прозвище «искусственные деревья», различаются используемыми химическими процессами. Проект Global Thermostat выделяет CO₂ из атмосферы с помощью «углеродной губки», пропитанной щелочным растворителем. Prometheus Fuels сочетает электрокатализ и фильтрацию через мембраны из нанотрубок, чтобы добывать из воздуха обычный бензин: этот метод оценили в BMW, прошлым летом инвестировав в стартап $ 12,5 млн. Установка Climeworks работает в Швейцарии с 2017 года и ежегодно поставляет 900 тонн CO₂ в качестве удобрения для местных теплиц.

Наиболее известным DAC-стартапом является канадский Carbon Engineering, сконструировавший вентиляторы диаметром 10 метров, каждый из которых способен удалять из атмосферы по 1 млн тонн CO₂ ежегодно. Предполагается, что полученный газ можно либо захоронить в недрах Земли, либо использовать для производства экологичного (полностью сгораемого) синтетического топлива. В Carbon Engineering продемонстрировали расчеты себестоимости ($ 100 за 1 тонну извлеченного CO₂, около $ 1 за 1 литр выработанного горючего), которые произвели впечатление на инвесторов: в стартап вложились нефтяные компании Chevron и Occidental Petroleum, а также Билл Гейтс.

Тем не менее путь на рынок для DAC предстоит неблизкий: по словам экспертов, без масштабных правительственных кампаний по очистке атмосферы не обойтись. К тому же все вентиляторы нужно обеспечить «зеленым» электричеством, иначе в их работе вообще нет смысла.

«Пилотные проекты будут развернуты в заповедных природных зонах, поначалу это будут гуманитарные миссии, — прогнозирует футуролог Кирилл Игнатьев. — Что касается промышленной реализации DAC, то она потребует больших капитальных вложений, так как нужно строить крупные установки, сравнимые с электростанциями. Это более сложная экономика, чем поставить ветрогенератор у реки или солнечные панели в пустыне. Но на горизонте двух-трех десятилетий DAC может стать вполне утилитарной технологией, ведь помимо синтетического топлива есть ощутимый спрос на углерод в твердом состоянии для производства углепластика и других композитных материалов».

«Не исключено, что возможность прямого захвата углекислого газа однажды выручит человечество, поэтому инициативы в этой области логичны, — добавляет директор программы „Климат и энергетика“ Всемирного фонда природы Алексей Кокорин. — Сейчас это исследовательский уровень, до реального применения может пройти еще полвека. Пока давайте использовать возможности, которые ближе и доступнее: отказ от угля, переход на газ, потом на ВИЭ. Добавочное влияние окажет облесение территорий. Конечно, когда лес вырастет, он уже не будет поглощать СО₂, но процесс роста займет несколько десятилетий, которые позволят выиграть время. А потом подоспеют футуристические технологии».

Каждому по солнцу

Помимо ВИЭ и DAC выделяют еще несколько путей радикального изменения энергетического баланса. Один из них — использование энергии водорода. Этот метод не нов: еще в конце 1980-х в СССР был создан летавший на водородном топливе самолет Ту-155. Однако применительно к задачам сохранения климата водородная энергетика может быть разной. По способу производства принято подразделять водород на «бурый» (газификация угля), «серый» (парогазовая конверсия), «голубой» («серый» + захоронение выделяемого CO₂), «бирюзовый» (пиролиз газа), «оранжевый» (электролиз с использованием АЭС) и «зеленый» (электролиз с использованием ВИЭ).

Наиболее безвредны для климата «зеленый», «голубой» и «бирюзовый» способы, однако самыми популярными на сегодняшний день являются «серый» и «бурый» (результат — 9−12 тонн выбросов CO₂ на каждую тонну произведенного H₂).

«Вряд ли водород можно положить в основу всей энергетики, — считает Кокорин. — Наиболее перспективное направление — водородное топливо для автомобилей и авиации. В транспортной отрасли большую роль играет энергоемкость: соотношение времени в пути к объему топливного бака. У водорода в этом плане большое преимущество перед аккумуляторами. Я бы поостерегся прогнозировать, кто из них в итоге победит».

В сфере атомной энергетики главным новшеством должны стать мини-АЭС. О них говорят давно, но реализованных проектов до сих пор нет. В прошлом году лед тронулся: власти США выдали компании Oklo Power лицензию на строительство объекта Aurora в штате Айдахо. По рендеру проекта невозможно представить, что это будущая АЭС: в стильном трехэтажном здании площадью 450 кв. м разместится небольшой реактор мощностью 1,5 МВт, которого хватит, чтобы обеспечить электричеством 1000 домохозяйств. Запустить Aurora планируется в 2023 году.

Еще более многообещающими выглядят ядерные технологии, за развитие которых также намерены взяться в США («продвинутые ядерные реакторы» упомянуты в плане по борьбе с изменением климата на сумму $ 2 трлн, предложенном президентом Джо Байденом в ходе предвыборной кампании). Если на АЭС энергия выделяется в результате деления атомов, то в основе ядерной энергетики лежит противоположный процесс — слияние элементов с повышением их атомной массы. Термоядерный синтез происходит в недрах звезд и, в частности, является источником солнечного тепла.

Идея создания «ручного солнца» захватывает умы физиков с середины XX века (тем более что для синтеза не нужны редкие радиоактивные элементы — топливом служит обычная вода), но пока «термояд» приручить не удалось: синтез происходит только при очень высокой температуре, и единственным вариантом его реализации в земных условиях стала водородная бомба. Тем не менее два проекта по созданию ядерных реакторов продвигаются вперед.

В мае 2020-го во Франции началась сборка реактора в рамках международного проекта ITER — первый синтез на нем планируется провести в 2025 году. А в октябре команда исследователей из Массачусетского технологического института подготовила теоретическое обоснование компактного термоядерного реактора SPARC — его запуск должен состояться до 2030-го.

«Текущие темпы позволяют предположить, что в 2050—2060-х годах состоится коммерческий релиз термоядерных станций, а к концу века они будут играть существенную роль на рынке энергии, — говорит Кирилл Игнатьев. — Пока трудно вообразить, как изменит мир возможность добывать энергию из стакана воды. Ведь к тому времени также должно произойти освоение других видов „зеленой“ энергии: геотермальные источники, болота, Мировой океан тоже внесут свою лепту в энергетический баланс. С уверенностью можно лишь сказать, что привычные нам атомные станции морально и технологически устареют. Им на смену придут безопасные и широко применимые микрореакторы».

Энергетическая утопия

Еще один прорыв может состояться в транспортировке электроэнергии. Он связан с открытием сверхпроводников — материалов, способных передавать электрический ток с нулевым сопротивлением. До недавних пор считалось, что это возможно только при сверхнизких температурах. Однако в прошлом году сразу две команды американских физиков опубликовали исследования, согласно которым зафиксированы сверхпроводящие свойства при комнатной температуре: в одном случае материалом послужила смесь ванадия, циркония и водорода, в другом — углеродсодержащий сероводород. Правда, пока это не рыночные решения: сверхпроводимость достигается при сжатии вещества до 1,5 млн атмосфер.

«Потребуется несколько десятилетий, чтобы конвертировать эти эксперименты в работающую технологию, — прогнозирует Игнатьев. — Но, если это будет сделано, изменится вся парадигма мировой экономики. Ведь мы привыкли, что источники энергии должны быть приближены к местам потребления. Это позволило ряду стран на базе имеющихся у них энергоресурсов развивать промышленность, сферу услуг: пример — страны Персидского залива, одним прыжком выбравшиеся в XXI век. Сверхпроводимость же позволит по минимальной стоимости перебрасывать электроэнергию на большие расстояния: можно будет поставить солнечные панели в Сахаре или Гоби и обеспечивать этим электричеством все Северное полушарие. Добавьте к этому тот факт, что основным потребителем энергии станет ИТ-инфраструктура. Транспорт уступит эту роль благодаря развитию левитации на магнитной подушке. Магнитный транспорт, придя на смену колесному, будет использовать энергию только для разгона и остановки. Сверхскоростные поезда-маглевы, Hyperloop Илона Маска — это только начало».

Подконтрольная стихия

Какое совокупное влияние окажут энергетические инновации на земной климат? Перед ответом на этот вопрос желательно точнее определить, что именно угрожает нашей планете. В этом плане достижения климатологии также сильно зависят от технологического развития. Ведь предположения о влиянии человека на концентрацию CO₂ в атмосфере были высказаны еще в конце XIX века, но только в 1970-х годах благодаря компьютерному моделированию эту связь удалось доказать.

В XXI веке арсенал климатологов расширяется за счет облачных вычислений, искусственного интеллекта и больших данных, что позволяет усложнять модели общей циркуляции, традиционно используемые в докладах МГЭИК. Так, в декабре 2020 года ученые из Университета Макгилла опубликовали исследование Climate Dynamics, где, использовав большой массив метеонаблюдений, построили уточненную модель (Scaling Climate Response Function). Согласно ей, критическое превышение глобальной температуры начнется между 2027 и 2042 годами.

«В последние годы прогностические модели шагнули далеко вперед, — признает Алексей Кокорин. — Раньше говорилось, например, что в 2050-е годы в Московской области средняя температура весны будет на 4 градуса выше, чем в конце XX века. А сейчас считают вероятностное распределение: каков шанс, что весна будет на 4 градуса теплее, на 7 градусов, на 10 градусов и так далее. 10 градусов выше нормы — это наводнение. Если вероятность этого равна 20%, значит, два раза в течение десятилетия область затопит. Это гораздо более практическое знание, особенно для страховых компаний. Страхование — важная перспектива в будущем мире климатических изменений».

Дальнейший рост мощностей обеспечат квантовые компьютеры, прогнозирует Кирилл Игнатьев: «Они помогут решать задачи с огромным количеством неизвестных. Квантовые вычисления вряд ли станут массовыми — для повседневных нужд они не нужны. Но в сфере прогнозирования будут большим подспорьем».

До перехода к квантовому моделированию остается только гадать, может ли человек в принципе управлять климатом. Между тем попытки такого управления — так называемой геоинженерии — известны с середины XX века: в СССР звучали идеи поворота сибирских рек и растопки арктических ледников, США отрабатывали технологии создания искусственных ливней. Сейчас подход изменился: природа не храм и не мастерская, а что-то вроде оранжереи, где человек, венец творения, берет на себя ответственность за биосферу.

С начала текущего века было запущено несколько экспериментальных проектов «глобального охлаждения». Основатели одних предлагают распылять в атмосфере специальный аэрозоль, препятствующий проникновению части солнечных лучей на поверхность Земли (SPICE, SCoPEx), других — усеивать ледники стеклянными микрогранулами, повышающими их отражательную способность (Arctic Ice Project), третьих — складировать на дне океанов железо, которое способствует росту водорослей, поглощающих углекислый газ (Planktos). Ни один из них не получил широкого признания по понятной причине: без точного расчета последствий даже экологически мотивированная геоинженерия остается опасной фантазией. Благими помыслами можно спровоцировать такую разбалансировку экосистем, по сравнению с которой глобальное потепление окажется сущим пустяком.

«Не думаю, что до конца века мы научимся управлять климатом в глобальном масштабе, — говорит Игнатьев. — Пока предел возможностей — локальное регулирование. Например, сейчас уже согреваем воздух на открытых верандах у ресторанов — в перспективе будут целые теплые пешеходные улицы. Сейчас разгоняем облака во время парадов — в будущем с помощью беспилотной авиации сможем постоянно „оборонять“ ясную погоду в мегаполисах, перенаправляя воздушные массы в сторону Мирового океана».

В остальном, по мнению футуролога, можно ограничиться предвосхищением разрушительных природных явлений, чтобы готовиться к ним заранее. «Например, создать систему раннего обнаружения сейсмической и вулканической активности, особенно в районе активных супервулканов, — рассуждает эксперт. — Вообще, извержение супервулкана — угроза, о которой человечество не задумывается, потому что на нашей памяти такого события еще не было (последнее извержение произошло 27 тыс. лет назад). Но если оно случится, то затмит по масштабам любую пандемию. Землю окутает густое облако вулканического пепла, начнется глобальное похолодание. Создание средств развеивания этого пепла из ближнего космоса — задача, которая едва ли будет решена в XXI веке, но к ней надо стратегически идти, чтобы в час икс суметь сохранить цивилизацию».