Treten und Fangen

Mar 21, 2023

Jess Adkins und Lori Dajose warten im Regen auf dem Parkplatz von LA. Mit freundlicher Genehmigung von A. Hartmann

Selbst ein Sturm im Januar in Los Angeles konnte die Stimmung des vierköpfigen Teams von Calcarea nicht trüben, einem Start-up zur Kohlenstoffsequestrierung, das von der Caltech-Geochemikerin Jess Adkins mitbegründet wurde. Aber sie wurden nass – sehr nass.

Am 9. Januar stand die Gruppe inmitten eines heftigen Regengusses mit Schutzhelmen und gelben Westen auf einem Parkplatz des USC, während Sattelschlepper die Komponenten eines chemischen Reaktors anlieferten, der eines Tages überschüssiges Kohlendioxid in der Erdatmosphäre beseitigen könnte, indem er Emissionen aus dem Ozean auffängt Versand. Der starke Regen wurde für Adkins und seine Kollegen Melissa Gutierrez (BS '19), Pierre Forin und Troy Gunderson zu einem nachträglichen Gedanken, deren Aufregung spürbar war. „Solange es keinen Blitz gibt“, bemerkte Adkins.

Die Calcarea-Teammitglieder Jess Adkins, Pierre Forin und Melissa Gutierrez (BS '19) warten im Regen auf die Lieferung ihres Prototyps. Mit freundlicher Genehmigung von A. Hartmann

Die Bemühungen zur Kohlenstoffabscheidung und -speicherung konzentrieren sich seit langem auf die Erdatmosphäre, wobei Unternehmen Kohlendioxid aus der Luft entfernen und es unter der Erde speichern. Das Verfahren ist zwar effektiv, aber energieintensiv und daher teuer. Calcarea und ein weiteres neues, mit Caltech verbundenes Start-up, Captura, sind zwei von wenigen Unternehmen, die einen anderen Ansatz verfolgen und ihren Fokus auf die Ozeane verlagern.

Die Entfernung von ozeanischem Kohlenstoff wirkt sich positiv auf die Biosphäre des Ozeans aus, da ein erhöhter Kohlendioxidgehalt durch die Versauerung der Ozeane große Teile der Meeresökosysteme zerstört hat, und erhöht außerdem die natürliche Fähigkeit des Ozeans, durch Gleichgewichtsprozesse Kohlendioxid aus der Atmosphäre zu entziehen. Während Captura plant, Kohlenstoff direkt aus dem Ozean zu entfernen, möchte Calcareas Team das Rauchgas direkt von Frachtschiffen reinigen, um Kohlendioxid sicher und dauerhaft im Ozean zu speichern, indem es die natürlichen Prozesse der Erde nachahmt, bei denen Kohlendioxid mit Kalkstein reagiert und Bikarbonat-Ionen entsteht.

Nach der Demonstration eines ersten Prototyps im Labor wurde der vergrößerte Reaktor von Calcarea in Houston hergestellt. Und so versammelte sich das Team an diesem regnerischen Tag im Januar, um es auf einem unscheinbaren Parkplatz im Freien am Rande des USC-Campus zusammenzubauen und zu testen. Obwohl das Team die Lieferung Monate vor der Vorhersage von Stürmen für diesen Tag plante, war die Gruppe dennoch entschlossen, den Auftrag zu Ende zu bringen. Nach einer Flaute der Aktivität kam Gunderson, ein Ozeanograph, herbei und überbrachte eine schlechte Nachricht: Der letzte Lastwagen des Tages, der die Halterung für den Reaktor selbst trug, war kaputt. Adkins lächelte und schüttelte den Kopf. „Natürlich war es so“, sagte er.

Adkins, der CEO, hatte vor Calcarea noch nie ein Start-up geleitet, fühlte sich jedoch aufgrund der dringenden Dringlichkeit des vom Menschen verursachten Klimawandels und seiner Folgen gezwungen, den Sprung zu wagen. In den letzten 200 Jahren haben die Menschen herausgefunden, wie sie durch die Verbrennung von Kohlenwasserstoffen wie Öl und Gas reichlich effiziente Energie gewinnen können, was einen rasch beschleunigten gesellschaftlichen Wandel ermöglicht. Aber die Folgen dieses Fortschritts – eine Erwärmung und ein sich änderndes Klima – waren für unseren Planeten und die Menschen auf der ganzen Welt kostspielig, insbesondere für diejenigen in gefährdeten Gemeinschaften wie Entwicklungsländern.

Insgesamt wurden durch menschliche Aktivitäten 400 Gigatonnen Kohlendioxid freigesetzt. Etwa ein Drittel davon hat sich in der Atmosphäre abgelagert, wo es Wärme speichert und die globale Erwärmung verursacht. Ein weiteres Drittel wird von der Oberflächenbiosphäre eingenommen: Erde, Gestein und Pflanzen, die Kohlendioxid für die Photosynthese nutzen. Das letzte Drittel versinkt unterdessen im Meer.

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Um eine Chance zu haben, katastrophale Schäden für die menschliche Gesundheit und den Planeten zu vermeiden, muss der Zwischenstaatliche Ausschuss für Klimaänderungen (IPCC) eine Erwärmung des Planeten um mehr als 1,5 Grad Celsius verhindern. Den Modellen des IPCC zufolge kann dies nur erreicht werden, indem sowohl auf erneuerbare Energien umgestellt wird als auch Praktiken zur Kohlenstoffabscheidung und -speicherung eingeführt werden, um das Chaos der Emissionen, die den Planeten verschmutzen, zu beseitigen. Dieser doppelte Ansatz ist erforderlich, denn selbst wenn die Nutzung fossiler Brennstoffe morgen eingestellt würde, müssten die bereits freigesetzten 400 Gigatonnen Kohlendioxid noch bewältigt werden. Nach Angaben des IPCC bedeutet dies eine Entnahme von 2 Gigatonnen pro Jahr.

„Es reicht nicht mehr aus, die Wirtschaft nur durch die Umstellung auf erneuerbare Energien zu dekarbonisieren“, sagt Adkins. „Wir hätten es schaffen können, wenn wir früher angefangen hätten, aber wir haben es nicht getan, und jetzt müssen wir Kohlendioxid aus der Atmosphäre entfernen, und wir müssen auch die Wirtschaft dekarbonisieren.“

Diese dringende existenzielle Krise sowie die neu verfügbaren Mittel für die Kohlenstoffabscheidung und -entfernung haben Forscher auf der ganzen Welt dazu motiviert, gewagte neue Ideen zu verfolgen: einige auf Parkplätzen und Garagen, andere in ihren eigenen Häusern. Captura, das andere neue aus Caltech hervorgegangene Unternehmen, das sich die Dekarbonisierung der Ozeane zum Ziel gesetzt hat, testete seine ersten Prototypen im Hinterhofpool von Mitbegründer Harry Atwater, dem Vorsitzenden der Caltech-Abteilung für Ingenieurwesen und angewandte Wissenschaft.

„Mein Sohn hatte gerade sein Studium abgeschlossen und war auf der Suche nach einem Biochemieprojekt“, sagt Atwater. „Wir hatten gerade Geld für die Entwicklung früher Prototypen unserer Technologie erhalten, also sagte ich zu ihm: ‚Hey, warum nehmen wir uns nicht ein paar Monate Zeit und haben einfach ein bisschen Spaß damit? Wir bauen es beim Schwimmen im Hinterhof auf.‘ „Seit seinen Anfängen im Hinterhof hat Captura Millionen von Dollar an Fördermitteln und Preisen gewonnen, um seine Technologie in die Realität umzusetzen.

Caltech-Doktorand Éowyn Lucas (MS '19), ein Mitglied des Captura-Teams, entwickelt Materialien, die Kohlendioxid direkt aus dem Meerwasser einfangen. Mit freundlicher Genehmigung von Bob Paz

Das Hauptziel der Sanierungsbemühungen von Calcarea ist die Schifffahrtsindustrie. Während Autos und Haushalte oft problemlos mit sauberem Wind- und Solarstrom betrieben werden können, gibt es für die Frachtschiffe, die unsere Weltwirtschaft antreiben, keine effizienten erneuerbaren Energiequellen. Frachtschiffe sind für 3 Prozent oder 1 Gigatonne der weltweiten Kohlenstoffemissionen pro Jahr verantwortlich. Wenn wir unsere Anstrengungen auf die Abscheidung von Kohlenstoff aus diesem Sektor konzentrieren, könnten wir daher in greifbare Nähe rücken, um die 2 Gigatonnen pro Jahr einzusparen, die die IPCC-Modelle erfordern.

Die Calcarea-Technologie wurde von natürlichen Prozessen inspiriert, die bereits auf der Erde ablaufen. Über lange Zeiträume reagiert Kohlendioxidgas in den Ozeanen mit Kalksteinschalen (CaCO3) auf dem Meeresboden in einem Prozess, der Karbonatkompensation genannt wird. Die Reaktion wandelt Kohlendioxid um und erzeugt Calciumionen und Bicarbonat. Auf diese Weise gleicht die Natur ihren Kohlendioxidgehalt auf natürliche Weise aus. Wenn der Mensch morgen von der Erde verschwinden würde, würde sich der atmosphärische Kohlendioxidgehalt von unserem derzeitigen Wert von 421 Teilen pro Million letztendlich wieder auf etwa 280 Teile pro Million einpendeln, obwohl dies Zehntausende von Jahren dauern würde.

Fast ein Jahrzehnt vor der Gründung von Calcarea arbeiteten Forscher im Adkins Lab daran, die Kinetik der Kalksteinverwitterung zu verstehen, in der Überzeugung, dass eine Beschleunigung dieses Prozesses die natürlichen Prozesse zur Kohlenstoffbindung auf dem Planeten ankurbeln könnte. Sie entdeckten zwar ein Enzym, das den Prozess im Labor katalysieren konnte, erkannten aber auch, dass die Verwitterungsreaktion bei ausreichend hohen Kohlendioxidkonzentrationen (5 Prozent) viel schneller ablaufen würde. Es stellt sich heraus, dass das Rauchgas von Frachtschiffen diese Grenze erreicht, und Schiffe können den für die Reaktion erforderlichen Kalkstein problemlos transportieren, auch ohne Katalysator.

Adkins begann, ein Team zusammenzustellen und ein Sabbatical beim Caltech zu arrangieren, um sich darauf zu konzentrieren, die beschleunigte Kalksteinverwitterung zu einer praktikablen Kohlenstoffabscheidungstechnologie zu machen, die an große Reedereien verkauft werden könnte, um sie auf ihren Schiffen zu installieren. Er rekrutierte den Ingenieur Forin, der in Norwegen in der umweltfreundlichen Schifffahrtsbranche arbeitete, und den ehemaligen Caltech-Studenten Gutierrez. Anschließend gründeten die drei Calcarea zusammen mit ihrem Mitbegründer, USC-Professor und Biogeochemiker Will Berelson.

„Ein großer Aspekt meiner Arbeit ist die Umweltgerechtigkeit“, sagt Gutierrez, die während ihrer Studienzeit am Caltech in Adkins‘ Labor forschte. „Wir möchten sicherstellen, dass Calcarea Beziehungen zu lokalen Gemeinschaften aufbaut – wie den Menschen, die in der Nähe der Häfen leben, in denen wir unsere Prototypen aufbauen – und zu Umweltpolitikgruppen, um sicherzustellen, dass sie sich für unsere Arbeit engagieren und mit ihnen einverstanden sind. "

Das Team entwarf einen chemischen Reaktor, der die Abgase von Frachtschiffen in einen Tank voller Kalkstein und fließendem Meerwasser blasen konnte, wodurch das Kohlendioxid aus den Emissionen des Schiffes entfernt und an seiner Stelle Salzwasser erzeugt wurde. Die Technologie von Calcarea soll in der Lage sein, bis zu 75 Prozent des Kohlendioxids aus den Emissionen eines bestimmten Frachtschiffs zu entfernen.

„Als ich während der Corona-Krise alleine hinten in meiner Garage arbeitete, fragte ich mich, was das Wichtigste ist, woran ich jetzt arbeiten könnte“, erinnert sich Adkins. „Verstehen Sie mich nicht falsch – Fragen zu Gletscherzyklen, Korallen und dem Schwefelkreislauf bringen mich morgens immer noch aus dem Bett. Aber keine davon ist so wichtig wie die Bindung von Kohlendioxid in großem Maßstab. Wir werden es entweder versuchen Lösen Sie das Problem oder wir tun es nicht.

Als Elektrochemiker nähert sich Harry Atwater von Captura dem Problem der Kohlenstoffabscheidung aus einem anderen Blickwinkel. Das Unternehmen nutzt einen elektrochemischen Prozess, um Meerwasser zu filtern und Kohlendioxidgas zu entfernen. Obwohl die Captura-Labortische weit vom Meer entfernt sind, sind überall am Arbeitsplatz des Unternehmens in Pasadena kristalline Salzmuster zu sehen, die das Meerwasser aus Experimenten hinterlassen hat und die eine physische Erinnerung an das letztendliche Ziel des Unternehmens hinterlassen: den Einsatz seiner Technologie auf See.

Wenn Kohlendioxid in den Ozean aufgenommen wird, geht es chemische Reaktionen mit Wasser ein und wandelt sich von einem gelösten Gas in ionische Salze um. Dieser Prozess erfolgt aufgrund des pH-Werts des Meerwassers von 8,1. Sobald diese Umwandlung stattfindet, wird es schwieriger, Kohlenstoff aus dem Wasser zu entfernen. Es ist viel einfacher, seine gasförmige Form herauszuziehen.

Die Grundlage des Captura-Systems besteht darin, den Kohlenstoff im Meerwasser, der in Form von Salzen vorliegt, wieder in Kohlendioxidgas umzuwandeln und das Gas dann zu binden. Dies geschieht durch vorübergehende Senkung des pH-Werts einer bestimmten Meerwassermenge. Der pH-Wert des Meerwassers sinkt von 8,1 auf 4, wodurch Kohlenstoff gezwungen wird, die Form von Kohlendioxid anzunehmen. Anschließend wird das Gas aus dem Wasser entfernt und das Team stellt den pH-Wert wieder auf einen etwas basischeren Wert von 8,2 her, bevor es das Wasser wieder in den Ozean abgibt.

Die Modulation des pH-Werts ist eine entscheidende Komponente des Captura-Systems und basiert auf einer bipolaren Membran, einer Technologie, die Meerwasser (H2O) in ansäuernde Protonen (H+) und „basenbildende“ Hydroxylgruppen (OH-) aufspaltet. Chengxiang „CX“ Xiang, Forschungsprofessor am Caltech und langjähriger Mitarbeiter von Atwater, hatte jahrzehntelang untersucht, wie man bipolare Membranen entwickelt. Er und Atwater gründeten Captura im Jahr 2021, wobei jeder sein eigenes Geld in das Projekt steckte, in der Überzeugung, dass es funktionieren würde. Bisher hat sich ihre Investition ausgezahlt. Mit Xiang als Chief Technology Officer und Atwater als Chief Science Officer schloss Captura kürzlich eine Serie-A-Finanzierungsrunde in Höhe von 12 Millionen US-Dollar ab, nachdem das Unternehmen im Jahr 2022 eine Million US-Dollar aus dem XPRIZE Carbon Removal-Wettbewerb erhalten hatte.

Die Weiterentwicklung der bipolaren Membran wurde dem Doktoranden Éowyn Lucas übertragen. Während ihrer Doktorarbeit entwickelte Lucas eine bipolare Membran, die effizienter und leistungsfähiger ist als alle anderen derzeit in der Entwicklung befindlichen Membranen. Nach ihrem Abschluss am Caltech im Laufe dieses Jahres wird sie Vollzeit dem Captura-Team beitreten.

„Ich konnte diese Membranen im Labor herstellen und jetzt mache ich mich daran, sie zu vergrößern und zu implementieren, um ein wirklich wichtiges, reales Problem zu lösen“, sagt sie. „Ich habe nach meiner Doktorarbeit über andere mögliche Wege nachgedacht, aber ich musste diese Arbeit einfach durchziehen. Ich bin aufgeregt, aber nervös – ich war noch nie in der Schule.“

Der größte Kostenfaktor bei der Skalierung einer solchen Technologie ist der Energieaufwand für den Prozessablauf. Capturas Plan besteht darin, seine Systeme in Entsalzungsanlagen zu installieren, um deren Energieinfrastruktur gemeinsam zu nutzen, und, sobald die Kapazität des Unternehmens wächst, eigenständige Captura-Plattformen zu bauen. Derzeit ist ein kleiner Prototyp im Kerckhoff Marine Laboratory von Caltech in Newport Beach in Betrieb, wo er pro Jahr 1 Tonne Kohlendioxid aus dem Meerwasser entfernt. Das Team baut derzeit ein Kilotonnen-System in der Größe eines 40-Fuß-Containers mit dem Ziel, ein System zu konstruieren, das jedes Jahr eine Million Tonnen Kohlendioxid binden kann.

Sowohl Captura als auch Calcarea führen Qualitätskontrollen an ihren Technologien durch und versuchen herauszufinden, auf welche Weise etwas schief gehen könnte, während sie ihre Prototypen vergrößern. Zusätzlich zu den technologischen Herausforderungen ist der Ozean ein komplexes, miteinander verbundenes biogeochemisches Ökosystem, und viele Wissenschaftler haben aus Sorge vor möglichen unvorhergesehenen Nebenwirkungen Bedenken hinsichtlich der Manipulation der Umwelt mit dem gezielten Ziel, die Auswirkungen des Klimawandels auszugleichen. Offene Fragen für die beiden Teams sind, wie sich ihre Systeme vom Labortisch auf den Ozean übertragen lassen und wie das Ökosystem der Meeresoberfläche durch die Nebenprodukte der Calcarea- und Captura-Systeme gestört werden könnte.

Adkins glaubt jedoch, dass die potenziellen Vorteile die Nachteile bei weitem überwiegen. „Wir stören den Planeten bereits, indem wir Kohlenstoffemissionen in die Biosphäre leiten, und die Auswirkungen davon sehen wir gerade jetzt“, sagt er. „Die beschleunigte Verwitterung von Kalkstein ahmt einfach nach, was die Umwelt bereits tut, um ihren Kohlenstoffhaushalt auszugleichen.“

Von links nach rechts: Cory Atwater, CX Xiang, Ibadillah Digdaya und Harry Atwater von Captura stehen vor dem Pilotsystem des Unternehmens in Newport Beach. Mit freundlicher Genehmigung von XC Xiang

Für Unternehmer, die den Planeten retten wollen, gibt es staatliche Fördermittel in Milliardenhöhe für Projekte wie diese, und auch die Industrie erkennt, wie wichtig es ist, den Klimawandel zu bekämpfen. Das von der Bundesregierung im Jahr 2022 verabschiedete Inflation Reduction Act stellt 370 Milliarden US-Dollar für unzählige Nachhaltigkeitsprojekte bereit, wie etwa die Dekarbonisierung des öffentlichen Nahverkehrs, eine sauberere Produktion und die Finanzierung von Klimagerechtigkeitsprojekten für unterversorgte Gemeinden.

„Die Kohlenstoffentfernung ist eine Technologie, die einen erheblichen Einsatz von Kapital und Energie in großem Maßstab erfordert“, sagt Atwater. „In 30 oder 40 Jahren wird ein riesiger Teil der Infrastruktur auf der Welt für die Entfernung von Kohlendioxid aufgewendet werden. Die Regierungen waren in der Politik führend, aber in letzter Zeit haben die Branchenführer dies erkannt, um ihren Kundenstamm zu erhalten.“ „Sie müssen sich in den kommenden Jahrzehnten zu einer vollständigen Dekarbonisierung ihrer Betriebe verpflichten. Das ist eine wirklich transformative Veränderung.“

Viele Privatunternehmen erkennen die Notwendigkeit an, den Klimawandel durch Kohlenstoffentfernung und Reduzierung ihrer eigenen Emissionen zu bekämpfen. Microsoft hat sich beispielsweise verpflichtet, die gleiche Menge Kohlenstoff zu binden, die das Unternehmen seit seiner Gründung im Jahr 1975 ausgestoßen hat. Angesichts dieser ehrgeizigen Ziele besteht Bedarf an Partnerschaften zwischen industriellen Umweltverschmutzern und CO2-Entfernungsunternehmen wie Captura und Calcarea.

Sowohl die Regierung als auch der private Sektor finanzieren und erleichtern diese Partnerschaften und verschaffen diesen frühen Start-ups Zugang zu einer Einnahmequelle und einem Weg zur Rentabilität. Captura beispielsweise erhielt kürzlich eine Zusage in Höhe von 500.000 US-Dollar vom privaten Kohlenstoffmarkt Frontier, der als Vermittler zwischen Fortune-500-Unternehmen, die eine Dekarbonisierung anstreben, und den Unternehmen, die sie dabei unterstützen, fungiert. Gleichzeitig hat die US-Regierung ein früheres Steuergutschriftsprogramm namens 45Q aktualisiert, um Unternehmen im Austausch für jede gebundene Tonne Kohlendioxid Direktzahlungen zu gewähren.

Ein großer Vorteil der von Captura und Calcarea vorgeschlagenen Lösungen zur Kohlenstoffabscheidung besteht darin, dass sie kostengünstig sind. Während die derzeit führenden Unternehmen im Bereich der atmosphärischen Kohlenstoffabscheidung Kohlendioxid für etwa 1.000 US-Dollar pro Tonne binden können, kann Calcarea dies für 76 US-Dollar pro Tonne tun, während Captura dies für 65 US-Dollar pro Tonne anstrebt.

„Letztendlich funktioniert das, was wir versuchen, nur, wenn eine wirtschaftliche Bilanz vorliegt“, sagt Adkins. „Umweltgesetze und Regierungsrichtlinien können wirklich einen großen Unterschied in der Gesundheit des Planeten machen.“

Zusätzlich zur Aktualität des Problems treibt die Erschließung neuer Finanzierungsquellen viele Forscher dazu, in das Geschäft mit der Kohlenstoffabscheidung einzusteigen. Derzeit werden neue Anstrengungen unternommen, um Seetang und Algen zu züchten, die Meereszirkulation zu verändern und die Alkalität des Ozeans zu verbessern. Die Caltech-Teams sagen, dass sie diesen Wettbewerb und diese Kreativität begrüßen.

„Wir brauchen eine Vielfalt an Taktiken, um die immense Herausforderung des Klimawandels anzugehen“, sagt Lucas. „Wir alle versuchen, Fördergelder zu bekommen und die besten Wissenschaftler anzuwerben, aber wir feuern uns auch gegenseitig an.“

Adkins fügt hinzu, dass das Problem zu wichtig sei, als dass nicht so viele Leute wie möglich daran arbeiten müssten. „Mein Ansatz ist davon geprägt, woher ich als Wissenschaftler komme, der Ozeanographie und Paläoklima studiert. Harry kommt von seinem elektrochemischen Hintergrund. Es gibt viel Kohlenstoff zu binden, also sind alle Mann an Deck. Regen oder Sonnenschein.“

Jess Adkins ist Smits Family-Professorin für Geochemie und globale Umweltwissenschaften. Er fungiert als CEO von Calcarea.

Harry Atwater ist Otis Booth Leadership Chair der Caltech-Abteilung für Ingenieurwesen und Angewandte Wissenschaft, Howard Hughes Professor für Angewandte Physik und Materialwissenschaft und Direktor der Liquid Sunlight Alliance. Atwater ist Mitbegründer von Captura und fungiert als Chief Science Officer.