En tant que professeur d’astronomie et de sciences planétaires à l’Université de l’Arizona qui étudie les planètes en orbite autour d’autres étoiles, Daniel Apai passe une grande partie de son temps à réfléchir à ce qui rend les mondes habitables.
Sur Terre, le cycle du carbone joue un rôle clé dans le maintien des conditions de vie. La Terre libère du carbone dans l’atmosphère et le réabsorbe par des processus géologiques et biologiques. Mais les humains ont libéré plus de dioxyde de carbone dans l’atmosphère que le cycle du carbone ne le ferait naturellement, provoquant une augmentation des températures mondiales.
Apai a réuni une équipe qui prévoit d’exploiter les principes du cycle du carbone pour piéger des quantités massives de dioxyde de carbone et freiner les pires impacts du changement climatique.
Ils se font appeler Atmospherica. Outre Apai, l’équipe comprend Joel Cuello, professeur d’ingénierie agricole et des biosystèmes et membre de l’Institut BIO5 ; Régis Ferrière, maître de conférences en écologie et biologie évolutive ; Martin Schlecker, astrophysicien et associé de recherche postdoctoral ; et Jack Welchert, doctorant en génie des biosystèmes.
Les rapports du Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat et les projections climatiques futures révèlent que la prévention des pires effets du changement climatique nécessitera l’élimination du carbone de l’atmosphère à des niveaux de gigatonnes par an.
« Pourtant, aucune technologie existante n’est considérée comme suffisamment évolutive pour y parvenir », a déclaré Apai. « Ce que nous devons faire en tant que civilisation, c’est réduire nos émissions autant que possible, car extraire de l’air est beaucoup plus difficile que de ne pas en émettre. Personne n’a trouvé de solution qui extrait le dioxyde de carbone de manière aussi efficace qu’il permette la poursuite de la combustion des combustibles fossiles. »
L’équipe de l’équipe Atmospherica espère faire partie de la solution, en exploitant le pouvoir des algues.
Tout est dans les algues
« Le changement climatique est l’un des grands défis auxquels nous sommes confrontés en tant qu’espèce et civilisation », a déclaré Apai.
Il a commencé la recherche de solutions potentielles au changement climatique comme passe-temps il y a sept ans. Il a constaté que la plupart des solutions d’élimination du carbone existantes ne pouvaient pas être étendues aux niveaux requis, étaient d’un coût prohibitif ou étaient nocives pour l’environnement.
En tant qu’astrobiologiste, il a décidé de poursuivre des solutions inspirées par la nature. C’est alors qu’il a découvert les coccolithophores, des algues marines unicellulaires. Ce qui rend ces algues spéciales, c’est le fait qu’elles utilisent le dioxyde de carbone atmosphérique et le calcium de l’eau salée pour créer des coquilles complexes faites de carbonate de calcium, un minéral très stable qui ressemble à de la craie. Ces coquilles ont évolué pour protéger les algues et réguler la flottabilité et l’exposition à la lumière des algues.
Les coccolithophores extraient naturellement le dioxyde de carbone de l’océan dans le cadre de leur cycle de vie. Alors que la plupart d’entre eux sont consommés par des prédateurs, une très petite fraction se décompose, non consommée, tandis que leurs coquilles contenant du carbone coulent au fond de l’océan, où elles restent indéfiniment. Les falaises blanches de Douvres sur la côte anglaise sont d’énormes gisements de ces coquillages vieux de 90 millions d’années et démontrent leur incroyable stabilité.
Apai s’est demandé s’il serait possible de faire pousser des coccolithophores à une échelle suffisamment grande pour modifier la composition atmosphérique de la Terre. Pour ce faire, il faudrait un environnement sûr et contrôlé pour la croissance des algues.
Entrez dans l’air accordéon
Cuello et son laboratoire d’ingénierie des biosystèmes ont développé un portefeuille de nouveaux photobioréacteurs brevetés à faible coût dans lesquels faire pousser des algues et d’autres types de cultures cellulaires de manière efficace et productive. L’une des conceptions est le photobioréacteur en accordéon à air.
Le photobioréacteur à accordéon à air se compose d’un cadre métallique rectangulaire avec des barres horizontales – comme des marches sur une échelle – espacées plus près les unes des autres en bas et plus éloignées en haut. Un sac en polyéthylène rempli d’eau salée riche en nutriments est tissé tout au long de ce cadre en forme d’échelle. L’air est pompé par le bas et circule dans le mélange d’eau salée. La conception maximise la capacité de mélange de liquide des bulles d’air pompées par le bas et permet une distribution uniforme de la lumière et des nutriments dissous.
Le photobioréacteur permet de cultiver efficacement de grandes quantités d’algues. Et parce que les algues sont cultivées dans un environnement contrôlé, à l’intérieur du sac en polyéthylène, elles sont protégées des prédateurs. Les chercheurs affirment que leur photobioréacteur en accordéon à air est également facile à mettre à l’échelle.
Cuello et Apai ont breveté l’utilisation d’algues coccolithophores pour l’élimination du dioxyde de carbone dans ce type de photobioréacteur, et ils espèrent continuer à optimiser la conception pour une croissance et une absorption de carbone encore plus efficaces des coccolithophores.
« Notre objectif est d’atteindre un niveau de capacité d’extraction de dioxyde de carbone d’un gigatonne par an, tout en restant abordable et avec un impact environnemental très limité », a déclaré Apai.
Les chercheurs espèrent que les photobioréacteurs pourront être rendus encore plus durables à l’avenir. Ils envisagent un monde dans lequel des bioréacteurs solaires seraient situés au bord de l’océan, permettant un accès facile à l’eau de mer nécessaire à la croissance des coccolithophores. Encore mieux, selon les chercheurs, serait d’installer les photobioréacteurs à proximité des usines de dessalement, qui produisent du calcium comme déchet. Le calcium est un nutriment important pour les coccolithophores et est utilisé dans le mélange d’eau salée.
L’équipe espère que la conception offre une solution viable pour l’élimination du carbone qui surmonte certaines des limites des technologies existantes, telles que les techniques de filtration chimique, qui sont difficiles à mettre à l’échelle car elles consomment beaucoup d’énergie et nécessitent souvent des minéraux rares. Ils peuvent également produire des déchets nocifs pour l’environnement.
Pour s’assurer que leur méthode est évolutive et confirmer la quantité nette de dioxyde de carbone qu’elle extrait de l’atmosphère, les membres de l’équipe d’Atmospherica prévoient de construire une installation de démonstration dans une serre au sommet du Sixth Street Garage de l’université et une installation plus grande au centre de recherche Biosphere 2 de l’université. installation.
Ils prévoient également de « faire une comptabilité complète de son empreinte carbone, du berceau à la tombe », a déclaré Apai.
« Nous avons terminé une analyse exploratoire prometteuse et prévoyons de publier un article sur le sujet cet été », a déclaré Apai.
L’équipe vise également à maintenir le coût de l’élimination du carbone à moins de 100 $ par tonne extraite.
« Tout ce qui est plus cher n’est pas viable », a déclaré Apai.
L’urgence
Apai a souligné que même si nous pouvons faire passer efficacement la plupart des industries vers zéro émission, pendant quelques décennies, nous finirons toujours par produire environ 15 % de nos émissions actuelles, soit environ 6 milliards de tonnes de dioxyde de carbone par an. C’est en partie parce que des choses comme les gros avions et les cargos dépendent des combustibles fossiles qui contiennent beaucoup d’énergie dans un petit volume. Ils ne peuvent physiquement pas être alimentés par batterie.
Atmospherica espère que les coccolithophores pourront absorber avec succès les 6 milliards de tonnes de dioxyde de carbone restants.
« Nos gouvernements ont tellement tardé à agir que nous devons maintenant réussir sur les deux plans : construire un avenir durable et réparer les dégâts que nous continuons de causer entre-temps », a déclaré Ferrière. « En mettant l’accent sur la science de la résilience, notre université et ses partenaires internationaux se sont engagés à faire progresser la recherche interdisciplinaire qui résoudra ce grand défi. »