为了应对气候变化灾难 ， 科学家将网撒向了天空 。 他们想出了一系列碳捕捉技术方案 。 子孙后代有救了？
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排出的二氧化碳 ， 真的可能捉回来吗？
|EMILY SCHERER / GETTY IMAGES
作者 | 刘强 浙江大学环境与资源学院
地球温度正在上升 ， 极端天气、森林火灾、冰架垮塌等新闻层出不穷 。 遏制气候变暖成为国际社会迫在眉睫的问题 。 二氧化碳作为最主要的温室气体 ， 被认为是遏制气候变暖的突破点 ， “碳中和”的概念应运而生 。
碳中和是指国家、企业、产品、活动或个人 ， 在一定时间内直接或间接产生的二氧化碳或温室气体排放总量 ， 通过植树造林、节能减排等形式 ， 自己抵消自己产生的排放量 ， 实现正负抵消 ， 达到相对“零排放” 。
在众多碳中和技术路径中 ， 有一个治理思路 ， 因其可高效降低大气二氧化碳浓度的前景 ， 而格外引人注意 ， 那便是碳捕捉 。
排出去的二氧化碳 ， 有可能捕捉回来吗？科技巨头们已经开始了行动 。
2021年1月21日 ， 特斯拉创始人埃隆·马斯克宣布将捐赠1亿美元 ， 用以奖励最佳碳捕捉技术 。 “碳捕捉”概念一时风头无两 。 究竟是什么技术 ， 让顶级科技巨头如此豪掷千金？这个以美金计价的小目标 ， 离我们普通人又有多远呢？
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1亿美元奖励最佳碳捕捉技术 ， 敢不敢来玩儿？
| XPRIZE 官网
碳从何来 ， 余额够吗？
要捕捉二氧化碳 ， 找到其来源是第一步 。
2013年 ， 人类在夏威夷岛上的环境监测站测得大气二氧化碳浓度超过了400ppm（浓度单位 ， 百万分之一）的警戒线 。 二氧化碳浓度的持续上升成了科学家心头挥之不去的阴霾 。
过去几年 ， 这个凶手造成了一系列灾难：2020年夏天南方洪灾、今年春天德克萨斯州极寒天气等 ， 都在不断冲击现代文明的承受底线 。
众所周知 ， 以石油 ， 煤炭和天然气为代表的化石能源 ， 是现代工业的基础 ， 它们都是由古代生物的遗骸经历一系列复杂变化形成 。 这些深藏地壳深处 ， 花费成千上万年完成转化的富碳资源 ， 在过去不到一百年的时间 ， 被人类挖出、提炼、转化、焚烧……驱动人类文明走向物资繁盛 ， 也成为二氧化碳的主要来源 。
你可能很难想象 ， 我们手里不到200克的手机 ， 生产过程会产生大约100千克的二氧化碳排放；汽车发动机每燃烧1升燃料 ， 会向大气层释放约2.5千克的二氧化碳；甚至每人每天通过呼吸 ， 也会释放大约1140克的二氧化碳 。
这就是我们日常生活的碳足迹 。 排放二氧化碳就如同呼吸一样 ， 无处不在 。 但是 ， 这些让我们生活更美好的化工技术 ， 却给我们的下一代带来无尽隐患 。
面对这一困境 ， 各国在2015年12月12日的巴黎气候变化大会上通过《巴黎协定》 。 《协定》约定 ， 各国的长期目标 ， 是将全球平均气温 ， 较前工业化时期 ， 上升幅度控制在2摄氏度以内 ， 并尽力将其限制在1.5摄氏度以内 。
以其目标上限2摄氏度计算 ， 全球碳排放允许的总量为1万亿吨 。 这是第一次 ， 人类清晰界定了环境承受的极限边界 。
经过政府间气候变化专门委员会（ICPP）测算 ， 自19世纪工业革命以来 ， 全世界累积排放已超过6000亿吨 ， 超过该预算总额的60% 。 根据当前的排放速度估算 ， 若不采取强力干涉措施 ， 全球碳预算总额将在2045年耗尽 。
碳预算超支的前景 ， 不单指向全球升温2摄氏度导致的海平面上升 ， 还将宣告人类对于气候变化调控的彻底失败 。 伴随两极冰川融化 ， 后续升温速度会愈加迅速 ， 最终酿成一场攸关人类存亡的巨大灾难 。
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如不加控制 ， 全球碳排放余额将在2045年耗尽 。
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对着天空撒网？我们是认真的
面对穷追不舍的二氧化碳排放危机 ， 各行各业都在积极应对 ， 科学界更是奋勇当先 。
从逻辑上讲 ， 减少大气中的二氧化碳有两个努力方向：一是减少输入 ， 即在最短时间内转变我们的能源获取方式 ， 不再使用石油、煤炭、天然气等富碳燃料 ， 减少人类活动产生的二氧化碳；二是增加去路 ， 即尽最大可能增加环境和人工二氧化碳的固定能力 ， 直接降低大气中的二氧化碳浓度 。
第一条路径 ， 目前可谓困难重重 。 因为能源是推动经济增长的基础 ， 在现有技术条件下 ， 如果立刻切断富碳燃料作为能量供应源 ， 会给所在国经济带来极大冲击 。 尤其是许多国家尚未完成最基础的工业化建设 ， 贸然转换能源供应格局 ， 会直接给百姓生计乃至国家命运带来巨大伤害 ， 这在道义上 ， 现实操作上都不允许 。
以中国为例 ， 即使四十年的改革开放给我国带来了巨大的财富积累 ， 以及令人吃惊的基建速度 ， 我们能够以一种稍微激进的方式转向水能、核能、风能和太阳能等清洁能源 ， 这些能源也确实在迅速提高占比 。 然而即便在2020年 ， 我国能源消费结构中 ， 煤炭仍占据约60%的份额 。
因此 ， 第二条路径——提高环境和人工二氧化碳的固定能力——成为技术研发的焦点 。
花草树木 ， 不单单是美丽的人间风景 ， 也是勤勉的固碳小能手 。 植物始于本能的光合作用 ， 仿佛是它们给予地球的美妙祝福：吸收二氧化碳和水 ， 合成构建植物躯干的有机物质 ， 并释放氧气 。 森林作为陆地生态系统的主体 ， 就是陆地上最大的“固碳仓库” 。
然而 ， 植物虽然能固碳 ， 但时效性慢 ， 难以在短时间内遏制强劲的二氧化碳增加趋势 。 人类自己闯下的祸终究还是要人类自己解决 ， 工程干预进行碳捕捉 ， 便是这一理念下的产物 。
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我们嚷嚷着要征服自然 ， 自然却以自己的方式回以祝福 ， 也给以嘲讽 。
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人类群体中最智慧的大脑 ， 对此给出了许多拍案叫绝的方案 。
当前碳捕捉技术的核心目的 ， 是将人类活动产生的二氧化碳收集起来 ， 加以储存甚至利用 ， 免其排放到大气中 。 主要技术方向有三个 ， 分别是：碳捕捉与储存、碳捕捉与能源化利用、碳捕捉与资源化利用 。
碳捕捉与储存 ， 即从人类工业生产、或单纯的化石燃料燃烧的尾气中 ， 分离出二氧化碳 ， 储存起来使其不进入大气 。 该过程通过燃烧后技术 ， 或采用低碳的燃烧前技术 ， 直接从烟道气流中去除二氧化碳 。 完成二氧化碳捕捉后 ， 再通过管道 ， 将其注入一定深度的地下岩层中封存起来 。
通常的封存地点是废弃油田、气田等 。 虽然有研究表明 ， 采用高压注水等途径 ， 可以加速使二氧化碳以碳酸盐的形式和地壳岩块结合 ， 实现稳定储存 。 但这些碳 ， 终究只是以“打盹”的形式 ， 维持着微妙的平衡存在地壳之中 。 一些科学家担心 ， 频繁的地壳活动 ， 终有一天会将这些气体送回地面 ， 其技术安全性还有待加强 。
碳捕捉与能源化利用 ， 则是将二氧化碳捕捉之后 ， 再次用来获取能量的一项技术路径 。 简单说 ， 就是把二氧化碳变成燃料 。 二氧化碳一直是燃料燃烧后的尾气成分 ， 甚至被用来灭火 ， “二氧化碳燃料”这个名词组合 ， 都让人有些怪异的别扭 。 但科学家的脑洞永远是开区间的 。 碳捕捉后进行能量开发 ， 最先人们考虑的是 ， 采用太阳能 ， 模拟植物光合作用 ， 将二氧化碳固定成燃料 。 结果发现 ， 即便实现了这个反应 ， 也只能算是对高品位能源的储能再释放 ， 有点得不偿失 。
直到热机工作原理的新认识出现 ， 相关技术才开始突飞猛进 。 以往热机工作都是通过燃料燃烧 ， 加热腔室 ， 获取密闭空间的气体膨胀 ， 从而驱动热机运转 。 容易想到 ， 加热不是热机工作的目的 ， 而只是手段 。 如果我们的燃料原本就是极低温的 ， 回复到正常温度 ， 也会产生巨大膨压 ， 即便不燃烧 ， 也能驱动热机运转 。
二氧化碳恰是这样一种神奇物质 。 常压下 ， 它以零下78.5℃超低温、固态干冰的形式存在；到了约10个大气压的环境中 ， 又会变成液体流动 ， 便于输送 。 如果用干冰作为工作介质 ， 就可以吸收环境中的热量 ， 从而受热气化 。 如果这一过程被限制在一个封闭容器中 ， 就可以得到数十个大气压的常温二氧化碳气体 。 理论上 ， 这种高压、常温气体 ， 完全可以推动气动机械做功 。
【科学|脑洞大开：为减缓气候变暖，科学家开始捕捉二氧化碳】
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蒸汽机（热机的一种）可以通过燃料燃烧 ， 将内能转化为机械能 。 干冰也可以通过常温气化 ， 将内能转化为机械能 。
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根据这一理念 ， 低温热机迅速诞生 。 这几乎是蒸汽机革命之后 ， 人类对驱动能源做的最有意思的一次尝试 。 碳捕捉完成后形成的干冰物质 ， 作为驱动热机运转的燃料 ， 气化后释放到空气中 ， 之后再次被捕捉回来 ， 从而保持一种人类活动与大气状态之间的奇妙平衡 。
碳捕捉与资源化利用 ， 则是另一个绝妙的固碳方案 ， 即 ， 把二氧化碳作为工业生产的原料使用 。 我们当前绝大多数的人造材料、合成制品 ， 都是石油化工的产物 ， 换句话说 ， 都源自地球上的动植物数亿年前收集的二氧化碳 。 理论上 ， 以今天人类对物质的认识和改造水平 ， 完全可以将捕捉到的二氧化碳 ， 用于制备当前从石油衍生得到的化学品和材料 。 其关键在于 ， 在这天马行空的改造中 ， 怎样有效控制成本 。
二氧化碳是一种极其稳定的分子 ， 作为原料参与化工合成 ， 需要吸收大量能量 。 这也意味着其转化成本非常高昂 。 科学家们必须先找到一条低耗能的转化路径 。 事实上 ， 截至当前 ， 基于二氧化碳的产品开发技术 ， 已经衍生出诸如建筑材料、化学品、塑料聚合物、碳纤维和碳材料等极具潜力的分支 。 对于其资源化利用的明天 ， 我们尽可拭目以待 。
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很多化学品和日用品 ， 都是来自石油的衍生品 。 我们可以直接用二氧化碳代替石油使用 。
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负碳而行 ， 一场“冷静地球”的赛跑
2015年 ， 政府间气候变化专门委员会（ICPP）发布了一份《1.5摄氏度特别报告书》 ， 清晰描绘了地球升温1.5摄氏度后的场景：全球气候将不可逆地加速升温 ， 一个越来越热的地球将是人类的噩梦 。
让地球“冷静”下来 ， 已经无需多言 。
二氧化碳作为公认的元凶 ， 已是过街老鼠 。 可是 ， 人类过去以焚烧作为动力的生产模式 ， 究竟有何问题？
焚烧 ， 可以说是人类延续最久的“超级技能” 。 几千年来 ， 焚烧的介质从木头 ， 油蜡 ， 煤炭 ， 一直到今天门类齐全的石化天然气 ， 文明的火把相传至今 。 过去千百年 ， 获取这份燃烧的热量 ， 便是焚烧的全部意义 。 逃逸到大气中的二氧化碳 ， 似乎是一件极其寻常的事情 。
即便是到今天 ， 我们对二氧化碳排放“大户” ， 化工厂、水泥厂、酒厂、火电厂等 ， 进行环境评价的时候 ， 仍然只会关注 ， 其排放物中是否有硫化物、氮氧化物、粉尘等特殊化合物 ， 作为排放主要成分的二氧化碳 ， 却从未被认真对待 。
而碳捕捉技术 ， 不仅正视了这个问题 ， 还第一次将二氧化碳作为一种资源加以注视 。 以人类文明发展的眼光看 ， 比起焚烧产生的那点热量所带来的经济效益 ， 二氧化碳巨大的潜在利用价值 ， 才是真正的宝藏 。
随着碳捕捉技术成熟 ， 回收成本渐低 ， 利用捕捉的二氧化碳进行工业生产 ， 将变得十分寻常 。 那些耸立的大烟囱里 ， 涌出的大量二氧化碳 ， 将不仅是对环境的危害 ， 也是一种巨大的资源浪费 。
我们固然会降低碳排 ， 以应对气候变暖的公共危机 。 就如 ， 各国政府积极发声 ， 先后推出符合本国国情的减排乃至碳中和的时间表；各大企业巨头也纷纷响应 ， 以宁德时代为代表的几大新能源巨头以惊人的速度崛起；苹果、小米等手机巨头 ， 计划未来十年内 ， 所有业务、生产供应链及产品生命周期将净碳排放量降至零 ， 并砍掉新产品的充电器 ， 以促进实现碳中和 。
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哥本哈根有望在2025年成为世界上第一个实现碳中和的城市 。
｜来自网络
同时 ， 我们也对碳捕捉及其开发利用技术充满期待 。 树立正确的低碳观念 ， 推进相关产业发展 ， 相信我们会在气候失控的悬崖前 ， 勒住奔腾的碳排野马 ， 从根本上解决当前的碳排难题 。
编辑 | 陈天真
责编 | 高佩雯
来源：十点科学
编辑：aloysius
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