Als Professor für Astronomie und Planetenwissenschaften an der University of Arizona, der Planeten untersucht, die andere Sterne umkreisen, verbringt Daniel Apai viel Zeit damit, darüber nachzudenken, was Welten bewohnbar macht.
Auf der Erde spielt der Kohlenstoffkreislauf eine Schlüsselrolle bei der Aufrechterhaltung der Lebensbedingungen. Die Erde gibt Kohlenstoff in die Atmosphäre ab und nimmt ihn durch geologische und biologische Prozesse wieder auf. Aber die Menschen haben mehr Kohlendioxid in die Atmosphäre freigesetzt, als es der Kohlenstoffkreislauf auf natürliche Weise tun würde, was zu einem Anstieg der globalen Temperaturen geführt hat.
Apai hat ein Team zusammengestellt, das plant, die Prinzipien des Kohlenstoffkreislaufs zu nutzen, um riesige Mengen an Kohlendioxid einzufangen und die schlimmsten Auswirkungen des Klimawandels einzudämmen.
Sie nennen sich Atmospherica. Neben Apai gehören zum Team Joel Cuello, Professor für Agrar- und Biosystemtechnik und Mitglied des BIO5-Instituts; Régis Ferrière, außerordentlicher Professor für Ökologie und Evolutionsbiologie; Martin Schlecker, Astrophysiker und Postdoktorand; und Jack Welchert, ein Doktorand der Biosystemtechnik.
Berichte des Zwischenstaatlichen Ausschusses für Klimaänderungen und künftige Klimaprojektionen zeigen, dass die Vermeidung der schlimmsten Auswirkungen des Klimawandels die Entfernung von Kohlenstoff aus der Atmosphäre in Gigatonnen pro Jahr erfordern wird.
„Es wird jedoch angenommen, dass keine vorhandene Technologie skalierbar genug ist, um dies zu erreichen“, sagte Apai. „Was wir als Zivilisation tun müssen, ist, unsere Emissionen so weit wie möglich zu reduzieren, denn das Extrahieren aus der Luft ist viel schwieriger, als es nicht zu emittieren. Niemand hat eine Lösung gefunden, die Kohlendioxid so effizient extrahiert, wie es möglich ist die fortgesetzte Verbrennung fossiler Brennstoffe.“
Das Team von Atmospherica hofft, ein Teil der Lösung zu sein, indem es die Kraft der Algen nutzt.
Es ist alles in den Algen
„Der Klimawandel ist eine der großen Herausforderungen, vor denen wir als Spezies und Zivilisation stehen“, sagte Apai.
Vor sieben Jahren begann er als Hobby mit der Suche nach möglichen Lösungen für den Klimawandel. Er stellte fest, dass die meisten bestehenden Lösungen zur CO2-Entfernung nicht auf das erforderliche Maß skaliert werden konnten, unerschwinglich teuer oder umweltschädlich waren.
Als Astrobiologe beschloss er, von der Natur inspirierte Lösungen zu verfolgen. Dabei erfuhr er von Coccolithophores – einzelligen Meeresalgen. Das Besondere an diesen Algen ist die Tatsache, dass sie atmosphärisches Kohlendioxid und Kalzium aus Salzwasser verwenden, um komplizierte Schalen aus Kalziumkarbonat zu bilden – einem sehr stabilen, kreideähnlichen Mineral. Diese Schalen wurden entwickelt, um die Algen zu schützen und den Auftrieb und die Lichteinwirkung der Algen zu regulieren.
Coccolithophoren extrahieren im Rahmen ihres Lebenszyklus auf natürliche Weise Kohlendioxid aus dem Ozean. Während die meisten von ihnen von Raubtieren verzehrt werden, zersetzt sich ein sehr kleiner Teil ungefressen, während ihre kohlenstoffhaltigen Schalen auf den Meeresboden sinken, wo sie auf unbestimmte Zeit verbleiben. Die weißen Klippen von Dover an der englischen Küste sind riesige, 90 Millionen Jahre alte Ablagerungen dieser Muscheln und demonstrieren ihre unglaubliche Stabilität.
Apai fragte sich, ob es möglich wäre, Coccolithophoren in einem ausreichend großen Maßstab zu züchten, um die atmosphärische Zusammensetzung der Erde zu verändern. Dazu wäre eine sichere und kontrollierte Umgebung erforderlich, in der die Algen wachsen können.
Betreten Sie das Luftakkordeon
Cuello und sein Biosystems Engineering Lab haben ein Portfolio patentierter, kostengünstiger, neuartiger Photobioreaktoren entwickelt, in denen Algen und andere Arten von Zellkulturen auf effiziente und produktive Weise gezüchtet werden können. Eines der Designs ist der Luftakkordeon-Photobioreaktor.
Der Luftakkordeon-Photobioreaktor besteht aus einem rechteckigen Metallrahmen mit horizontalen Stangen – wie Stufen auf einer Leiter –, die unten näher beieinander und oben weiter voneinander entfernt sind. In diesen leiterartigen Rahmen ist ein Polyethylenbeutel voller nährstoffreichem Salzwasser eingewebt. Luft wird von unten hineingepumpt und durch das Salzwassergemisch zirkuliert. Das Design maximiert die Flüssigkeitsmischkapazität von Luftblasen, die von unten eingepumpt werden, und ermöglicht eine gleichmäßige Verteilung von leichten und gelösten Nährstoffen.
Der Photobioreaktor ermöglicht es, große Mengen an Algen effizient zu züchten. Und da die Algen in einer kontrollierten Umgebung gezüchtet werden, sind sie im Polyethylenbeutel vor Fressfeinden geschützt. Die Forscher sagen, dass ihr Luftakkordeon-Photobioreaktor auch leicht zu vergrößern ist.
Cuello und Apai haben die Verwendung von Coccolithophor-Algen zur Kohlendioxidentfernung in dieser Art von Photobioreaktor patentiert und hoffen, das Design für ein noch effizienteres Coccolithophor-Wachstum und eine noch effizientere Kohlenstoffaufnahme weiter optimieren zu können.
„Unser Ziel ist es, eine Kohlendioxid-Extraktionskapazität von einer Gigatonne pro Jahr zu erreichen und dabei erschwinglich und mit sehr geringen Auswirkungen auf die Umwelt zu bleiben“, sagte Apai.
Die Forscher hoffen, dass die Photobioreaktoren in Zukunft noch nachhaltiger gemacht werden können. Sie stellen sich eine Welt vor, in der solarbetriebene Bioreaktoren am Meer stehen und einen einfachen Zugang zum Meerwasser ermöglichen, das für das Wachstum der Coccolithophoren erforderlich ist. Noch besser, sagen die Forscher, wäre es, die Photobioreaktoren in der Nähe von Entsalzungsanlagen zu errichten, die Kalzium als Abfallprodukt produzieren. Calcium ist ein wichtiger Nährstoff für Coccolithophoren und wird in der Salzwassermischung verwendet.
Das Team hofft, dass das Design eine praktikable Lösung für die Kohlenstoffentfernung bietet, die einige der Einschränkungen bestehender Technologien überwindet, wie z. B. chemische Filtertechniken, die schwer zu skalieren sind, weil sie energieintensiv sind und oft seltene Mineralien erfordern. Sie können auch umweltschädliche Abfallprodukte produzieren.
Um sicherzustellen, dass ihre Methode skalierbar ist und bestätigt, wie viel Netto-Kohlendioxid sie aus der Atmosphäre entzieht, planen Mitglieder des Atmospherica-Teams den Bau einer Demonstrationsanlage in einem Gewächshaus auf der Sixth Street Garage der Universität und einer größeren Anlage in der Biosphere 2-Forschung der Universität Einrichtung.
Sie planen auch, „eine vollständige Bilanz des CO2-Fußabdrucks von der Wiege bis zur Bahre zu führen“, sagte Apai.
„Wir haben eine vielversprechende explorative Analyse abgeschlossen und planen, diesen Sommer ein Papier zu diesem Thema zu veröffentlichen“, sagte Apai.
Das Team strebt außerdem an, die Kosten für die CO2-Entfernung auf weniger als 100 US-Dollar pro geförderter Tonne zu begrenzen.
„Alles, was teurer ist, ist nicht realisierbar“, sagte Apai.
Die Dringlichkeit
Apai betonte, dass wir selbst dann, wenn wir die meisten Industrien effizient auf null Emissionen umstellen können, für einige Jahrzehnte immer noch etwa 15 % unserer derzeitigen Emissionen oder etwa 6 Milliarden Tonnen Kohlendioxid pro Jahr produzieren werden. Das liegt zum Teil daran, dass Dinge wie große Flugzeuge und Frachtschiffe auf fossile Brennstoffe angewiesen sind, die viel Energie in einem kleinen Volumen packen. Sie können physikalisch nicht batteriebetrieben werden.
Atmospherica hofft, dass die verbleibenden 6 Milliarden Tonnen Kohlendioxid von den Coccolithophoren erfolgreich absorbiert werden können.
„Unsere Regierungen haben das Handeln so sehr verzögert, dass wir jetzt in beiden Punkten erfolgreich sein müssen: eine nachhaltige Zukunft aufbauen und den Schaden beheben, den wir in der Zwischenzeit anrichten“, sagte Ferrière. „Mit ihrem Schwerpunkt auf der Resilienzwissenschaft setzen sich unsere Universität und ihre internationalen Partner dafür ein, die interdisziplinäre Forschung voranzutreiben, die diese große Herausforderung lösen wird.“