U bent misschien bekend met directe luchtafvang, of DAC, waarbij koolstofdioxide uit de atmosfeer wordt verwijderd in een poging de effecten van klimaatverandering te vertragen. Nu heeft een wetenschapper van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) een schema voorgesteld voor directe oceaanvangst. CO₂ verwijderen uit de oceanen zullen hen in staat stellen hun werk te blijven doen door overtollige CO te absorberen₂ uit de atmosfeer.

Deskundigen zijn het er grotendeels over eens dat het bestrijden van klimaatverandering meer zal vergen dan het stoppen van de uitstoot van klimaatverwarmende gassen. We moeten ook de koolstofdioxide en andere broeikasgassen die al zijn uitgestoten, verwijderen voor een bedrag van gigaton CO₂ elk jaar tegen 2050 verwijderd om netto nulemissie te bereiken. De oceanen bevatten aanzienlijk meer CO₂ dan de atmosfeer en hebben gefunctioneerd als een belangrijke koolstofput voor onze planeet.

Peter Agbo is een stafwetenschapper van Berkeley Lab in de Chemical Sciences Division, met een secundaire aanstelling in de Molecular Biophysics and Integrated Bioimaging Division. Hij ontving een subsidie ​​via het Carbon Negative Initiative van Berkeley Lab, dat tot doel heeft baanbrekende technologieën voor negatieve emissies te ontwikkelen, voor zijn voorstel voor het afvangen van oceanen. Zijn mede-onderzoekers van dit project zijn Steven Singer van het Joint BioEnergy Institute en Ruchira Chatterjee, een wetenschapper in de Molecular Biophysics and Integrated Bioimaging Division van Berkeley Lab.

V. Kunt u uitleggen hoe u zich voorstelt dat uw technologie werkt?

Wat ik in wezen probeer te doen, is CO₂ . converteren tot kalksteen, en een manier om dit te doen is door zeewater te gebruiken. De reden dat u dit kunt doen, is omdat kalksteen is samengesteld uit magnesium, of wat magnesium- en calciumcarbonaten worden genoemd. Er is veel magnesium en calcium dat van nature in zeewater aanwezig is. Dus als je gratis CO₂ . hebt drijvend rond in zeewater, samen met magnesium en calcium, zal het natuurlijk tot op zekere hoogte kalksteen vormen, maar het proces is erg traag - grensoverschrijdende geologische tijdschalen.

Het blijkt dat het knelpunt bij de omzetting van CO₂ aan deze magnesium- en calciumcarbonaten in zeewater is een proces dat van nature wordt gekatalyseerd door een enzym dat koolzuuranhydrase wordt genoemd. Het is niet belangrijk om de naam van het enzym te kennen; het is alleen belangrijk om te weten dat wanneer je koolzuuranhydrase aan dit zeewatermengsel toevoegt, je in feite de omzetting van CO₂ kunt versnellen aan deze kalkstenen onder geschikte omstandigheden.

En dus is het idee om dit op te schalen door CO₂ . te tekenen uit de atmosfeer in de oceaan en uiteindelijk in een kalksteenproduct dat je zou kunnen afzonderen.

V. Fascinerend. Dus je wilt koolstofdioxide omzetten in steen met een proces dat van nature voorkomt in zeewater, maar dit versnelt. Dit klinkt bijna als sciencefiction. Wat zijn de uitdagingen om dit te laten werken?

Om CO₂ te absorberen snel genoeg vanuit de lucht om de technologie te laten werken, moet je het probleem oplossen hoe je genoeg van dit enzym kunt leveren zodat je dit proces op een zinvolle schaal kunt inzetten. Als we het enzym gewoon als een puur product zouden proberen te leveren, zou je dat niet op een economisch haalbare manier kunnen doen. Dus de vraag die ik hier probeer te beantwoorden is, hoe zou je dit doen? Je moet ook manieren vinden om de pH te stabiliseren en voldoende lucht te mengen om je CO₂ te verhogen en te behouden. concentratie in water.

De oplossing die bij me opkwam was, oké, aangezien we weten dat koolzuuranhydrase een eiwit is, en eiwitten worden van nature gesynthetiseerd door biochemische systemen, zoals bacteriën, die we kunnen manipuleren, dan kunnen we bacteriën nemen en ze vervolgens manipuleren om koolzuur te maken anhydrase voor ons. En je kunt deze bacteriën gewoon blijven kweken zolang je ze voedt. Een probleem is echter dat je nu de kosten hebt verlegd naar het leveren van voldoende voedsel om genoeg bacteriën te produceren om genoeg enzymen te produceren.

Een manier om dit probleem te omzeilen zou zijn om bacteriën te gebruiken die kunnen groeien met energie en voedingsstoffen die direct beschikbaar zijn in de natuurlijke omgeving. Dit wees dus op fotosynthetische bacteriën. Ze kunnen zonlicht gebruiken als hun energiebron en ze kunnen ook CO₂ . gebruiken als hun koolstofbron om zich mee te voeden. En bepaalde fotosynthetische bacteriën kunnen de mineralen die van nature in zeewater voorkomen ook in wezen als vitamines gebruiken.

V. Interessant. Dus de weg naar het opvangen van overtollige CO₂ ligt in het kunnen ontwikkelen van een microbe?

Mogelijk eenrichtingsverkeer, ja. Waar ik in dit project aan heb gewerkt, is het ontwikkelen van een genetisch gemodificeerde bacterie die fotosynthetisch is en ontwikkeld is om veel koolstofanhydrase op het oppervlak te produceren. Als je het dan in zeewater zou doen, waar je veel magnesium en calcium hebt, en ook CO₂ aanwezig, zou je een snelle vorming van kalksteen zien. Dat is het basisidee.

Het is voorlopig een klein project, dus ik besloot me te concentreren op het verkrijgen van het gemanipuleerde organisme. Op dit moment probeer ik gewoon het primaire katalysatorsysteem te ontwikkelen, de enzym-gemodificeerde bacteriën die de mineralisatie stimuleren. De andere niet-triviale onderdelen van deze benadering:hoe de reactor op de juiste manier te ontwerpen om CO₂ te stabiliseren concentraties en pH die nodig zijn om dit schema te laten werken - zijn toekomstige uitdagingen. Maar ik heb simulaties gebruikt om mijn benadering van die problemen te informeren.

Het is een leuk project, want op een willekeurige dag zouden mijn co-PI's en ik fysieke elektrochemie of genmanipulatie in het laboratorium kunnen doen.

V. Hoe zou dit eruit zien als het eenmaal is opgeschaald? En hoeveel koolstof zou het kunnen vastleggen?

Wat ik voor ogen had, is dat de bacterie zou worden gekweekt in een bioreactor op plantschaal. Je laat in feite zeewater in deze bioreactor stromen terwijl je actief lucht mengt, en het verwerkt het zeewater en zet het om in kalksteen. In het ideale geval heb je waarschijnlijk een soort stroomafwaarts centrifugatieproces om de vaste stoffen te extraheren, wat misschien kan worden aangedreven door de waterstroom zelf, wat dan helpt om de kalksteencarbonaten eruit te trekken voordat je vervolgens het verarmde zeewater uitwerpt. Een alternatief dat mogelijk de pH-beperkingen van mineralisatie zou kunnen oplossen, zou zijn om dit in plaats daarvan te implementeren als een omkeerbaar proces, waarbij je het enzym ook gebruikt om de koolstof die je in zeewater hebt opgevangen terug te zetten naar een meer geconcentreerde CO₂ stroom (het gedrag van koolzuuranhydrase is omkeerbaar).

Wat ik voor dit systeem heb berekend, ervan uitgaande dat het eiwit koolzuuranhydrase zich op het bacteriële oppervlak gedraagt, min of meer, zoals het doet in een vrije oplossing, zou suggereren dat je een plant nodig hebt die slechts ongeveer 1 miljoen litervolume, wat eigenlijk vrij klein is. Een daarvan kan je naar ongeveer 1 megaton CO₂ . brengen per jaar gevangen. Er zijn echter veel aannames ingebouwd in dat soort schattingen, en het zal waarschijnlijk veranderen naarmate het werk vordert.

Door wereldwijd 1.000 van dergelijke installaties op te richten, wat een klein aantal is in vergelijking met de 14.000 waterzuiveringsinstallaties in de Verenigde Staten alleen, zou het mogelijk worden om jaarlijks CO2 in de atmosfeer op gigatonschaal af te vangen₂ . + Verder verkennen

Diepzeebacteriën kunnen helpen bij het neutraliseren van broeikasgassen, vinden onderzoekers