Gaat scheikunde de wereld redden?

Op zich ben ik niet optimistisch over de opwarming van de aarde. Ik weet dat de temperatuur de komende eeuwen blijft stijgen, zelfs als we vanaf nu geen CO₂ meer zouden uitstoten. Ik weet ook wat er gaat gebeuren als de temperatuur stijgt: al in 2008 verscheen het boek Six Degrees van Mark Lynis (bol.com, in 2022 verscheen een nieuwe editie), waarin hij duidelijk maakt wat ons te wachten staat bij een temperatuurstijging van één, twee, drie, vier, vijf of zes graden (lees dit boek niet als je rustig wilt slapen). Vorige week deed Jelmer Mommers het nog eens dunnetjes over in De Correspondent (De Correspondent). Toch ken ik schaarse momenten van hoop. Misschien kan scheikunde de wereld redden.

Deskundigen denken: tenzij we een manier vinden om het teveel aan CO₂ uit de lucht te halen, zijn we doomed. Gelukkig zijn er allerlei ontwikkelingen die precies dat doen: broeikasgassen uit de lucht halen, bijvoorbeeld door ze om te zetten in andere gassen, door ze uit de lucht te filteren of door ze af te vangen voordat ze in de lucht terechtkomen. In het laatste geval gaat het eigenlijk niet om het verminderen van bestaande broeikasgassen in de atmosfeer, maar om het verminderen van nieuwe uitstoot. Dat helpt natuurlijk ook, maar wat we echt nodig hebben, zijn pacman-achtige dingetjes die daadwerkelijk kooldioxide uit de lucht happen.

Wat we nodig hebben, zijn pacman-achtige dingetjes die kooldioxide uit de lucht happen.

Nu ben ik een scheikundige leek. Ik kan dus niets verifiëren en alleen navertellen wat ik lees op andermans sites. Maar wat ik lees, geeft hoop. Al in 2007 las ik in de NRC dat onderzoekers een bacterie hadden ontdekt (Acidimethylosilex fumarolicum) die het broeikasgas methaan omzet in het veel minder sterke broeikasgas CO₂ (NRC, ‘Helse bacteriën bestrijden broeikasgas’ – artikel staat niet meer online). Dan zijn we er nog niet, maar het is een begin. Complicerende factor is dat deze bacterie alleen overleeft in vulkanen, bij temperaturen van vijftig tot honderd graden. Maar al in 2010 meldde NRC dat in de Golf van Mexico een bacterie leeft die koolstofdioxide vastlegt en tegelijkertijd waterstof produceert (NRC). Wat mij destijds hoop gaf, is dat er kennelijk bacteriën zijn die iets kunnen met broeikasgassen – potentiële redding uit onverwachte hoek!

Maar het zijn niet alleen bacteriën die ons wellicht kunnen helpen. Er bestaat een mineraal, olivijn, dat zich kan binden aan CO₂ in de lucht en dat die CO₂ vervolgens kan omzetten in magnesiumcarbonaat, siliciumoxide (zand) en ijzeroxide (Wikipedia). Er is alleen veel olivijn voor nodig, en het delven van olivijn schijnt niet erg milieuvriendelijk te zijn. Daarnaast schijnt het restproduct in zee terecht te komen, wat niet ideaal is (Motherboard). Het is dus maar de vraag of dit de uiteindelijke oplossing is. Een andere mogelijkheid is om opgevangen CO₂ te laten reageren met basaltgesteente, waar ook olivijn in zit. Als CO₂ reageert met basalt, wordt de CO₂ omgezet in het onschuldige kalksteen (calciumcarbonaat).

Kan het nog mooier? Jawel! Onderzoeker Klaus Lackner van de Columbia University heeft een soort plastic ontwikkeld dat CO₂ uit de lucht haalt. Van dit plastic maakt hij negentig meter hoge nepbomen die veel meer CO₂ uit de lucht kunnen halen dan echte bomen (Scientias). Lackner denkt dat hij 100 miljoen nepbomen (zegt de BBC) danwel vijf miljoen nepbomen (zegt Scientias) nodig heeft om alle overtollige CO₂ uit de lucht te halen. (Overtollig, want helemáál zonder kooldioxide kunnen we nou ook weer niet. Zonder CO₂ zou er immers geen zuurstof zijn en zouden we niet kunnen ademen (planten hebben CO₂ nodig om zuurstof te maken). Bovendien zou het zonder CO₂ op aarde te koud zijn voor menselijk leven: een beetje broeikaseffect is broodnodig.)

Bacteriën, mineralen, gesteenten, poreuze sponzen, absorberende vloeistoffen en plastic nepbomen: over de hele wereld zijn scheikundigen op zoek naar manieren om CO₂ uit de lucht te halen.

Een andere mogelijkheid is om CO₂ op te zuigen door middel van absorptie. Dit is een chemisch proces dat ook gebruikt wordt bij het afvangen van CO₂ in raffinaderijen. Hierbij absorberen speciale filters CO₂ uit de atmosfeer door een chemische reactie met een amineoplossing (Technisch Weekblad). De CO₂ die hierdoor ‘gevangen’ wordt in een scheikundige verbinding, wordt bij verhitting weer afgegeven, waarna het kan worden afgevangen voor opslag of hergebruik).

Dan is er nog een sponzig, poreus materiaal ontwikkeld dat CO₂ uit de atmosfeer kan zuigen: de zogenaamde metal-organic frameworks of MOF’s (Wikipedia, Scientias, BBC). Het is mij volkomen onduidelijk hoe dit in de praktijk zou werken, maar het bestaat, er zijn mensen die er verstand van hebben en er wordt wereldwijd aan gewerkt.

Wat kunnen we doen met CO₂?

In Zwitserland, Canada, IJsland en Nederland zijn al start-ups actief die daadwerkelijk CO₂ uit de lucht halen, hetzij via reacties met vloeibare oplosmiddelen (absorptie), hetzij via opname met sponzen (MOF’s). [Naschrift dd.30 november 2017: ook aan de Universiteit Twente doet men hier onderzoek naar – zie dit artikel in de NRC.]

En wat doen we dan met al die overtollige CO₂? We kunnen het opslaan in de grond. We kunnen het verkopen aan producenten van koolzuurhoudende dranken. We kunnen het toevoegen aan kassen, waardoor de opbrengst van de gewassen toeneemt (Technisch Weekblad). Of we maken er vloeibare brandstof van, een product dat syngas wordt genoemd (Wikipedia) – dit chemische proces is onlangs verbeterd door onderzoekers van de Universiteit Gent (NRC). Ten slotte kunnen we er plastic van maken, zo ontdekten wetenschappers van de Stanford University (Scientias). Je zou zeggen: twee vliegen in één klap. Veel plastics worden nu immers gemaakt van aardolie en aardgas. Dat zou dan allemaal in de grond kunnen blijven, en tegelijk wordt CO₂ afgevangen en omgezet in plastic.

Goed nieuws of niet? Ik dacht het wel. Maar de tijd dringt.

NASCHRIFT dd. 13 april 2017

Misschien gaat het toch lukken. Amerikaanse wetenschappers van de Texas A&M University hebben een materiaal ontwikkeld dat brandstof maakt van CO₂. De benodigde energie komt van de zon. Het project bevindt zich nog in de onderzoeksfase, maar deze kant gaat het dus op, en zo moet het ook. Lees er meer over in dit artikel.

NASCHRIFT dd. 7 mei 2017

Ook Chinese chemici roeren zich. Zij hebben nu een manier gevonden om benzine te maken van CO₂. Dat doen ze door CO₂ met behulp van een katalysator te laten reageren met waterstofgas (H₂₎. De methode kan vooral worden toegepast om CO₂ af te vangen, dus vooralsnog niet om CO₂ uit de lucht te halen. Lees er meer over in de NRC en (NASCHRIFT dd. 25 april 2021) in Scientias.

NASCHRIFT dd. 1 maart 2019

En weer nieuwe ontwikkelingen: CO₂ uit de atmosfeer halen en omzetten in kooldeeltjes, met behulp van vloeibare metalen. Hier het wetenschappelijke artikel in Nature Communications (Engels) en een stuk erover in Scientias (Nederlands).

NASCHRIFT dd. 22 mei 2019

Een lezer van De Correspondent wees op een project van Leverhulme Centre for Climate Change Mitigation (LC3M). Het instituut is bezig met een pilot waarbij ze kleine stukjes basalt verstrooien over rijst- en maïsvelden. De basaltstukjes dienen niet alleen als mest, maar leggen via chemische verwering ook CO₂ vast uit de atmosfeer – volgens het proces dat hierboven ook al ter sprake komt. Hieronder een filmpje. De bekende stichting Urgenda roept de Nederlandse overheid overgens al jaren op om meer olivijnzand te gebruiken. Het is punt 38 in hun 40-puntenplan om Samen Sneller Duurzaam te worden.

NASCHRIFT dd. 16 mei 2020

Hoe halen planten, algen en sommige bacteriën CO₂ uit de lucht? Via fotosynthese. Duitse en Franse onderzoekers hebben nu een manier gevonden om een deel van de fotosynthese kunstmatig te laten verlopen (zie artikel in Trouw, 9 mei 2020). Citaat: “Fotosynthese is (…) een enorm complexe motor die zonlicht omzet in chemische energie, waarmee CO₂ uit de atmosfeer wordt omgezet in suikers.” De onderzoekers hebben nu een deel van die motor nagebouwd en gecombineerd met onderdelen uit de natuur, namelijk thylakoïden uit spinazie. Thylakoïden zijn membraanstructuren die “als pannenkoekjes op elkaar liggen” in bladgroenkorrels. Deze energiebron hebben de wetenschappers gecombineerd met een biosynthetische cyclus die CO₂ omzet in een koolstofverbinding. Een en ander speelt zich af in minuscule waterdruppels. Het begin van kunstmatige fotosynthese.

NASCHRIFT dd. 2 december 2020

Dit bericht komt uit 2017 en is dus al wat ouder. Ook walvissen zorgen voor CO₂-opname! Walvissen ontlasten zich aan de oppervlakte van oceanen. Hun ontlastingswolken bemesten het plankton dat daar leeft. Plankton neemt CO₂ op uit de lucht. Als plankton sterft, zinkt het naar de bodem en neemt het opgeslagen koolstof mee naar beneden. Ergo, minder walvissen zorgt voor minder plankton zorgt voor minder CO₂-opname. Jelmer Mommers legt het allemaal mooi uit in De Correspondent (tweede helft artikel, maar eerste en derde helft zijn ook steengoed).

Een andere ontwikkeling is biochar. Al in 2019 las ik erover in dit artikel in The Guardian, maar de link raakte zoek. Biochar is een soort kunstmatige houtskool, gemaakt van organisch materiaal of organisch afval. Biochar wordt niet gebruikt als brandstof (zoals houtskool), maar als meststof voor de bodem. Als organisch materiaal vergaat, geeft het CO₂ af aan de atmosfeer. Via pyrolyse, verhitting in een zuurstofarme omgeving, kan organisch materiaal worden gesplitst in biogassen (die vervolgens als biobrandstof kunnen dienen) en biochar (dat met grond kan worden vermengd). Op deze manier kan de koolstof voor honderden jaren worden vastgelegd. Zonder pyrolyse zou het organisch afval zijn koolstof veel sneller aan de atmosfeer teruggeven. Een mooie bijkomstigheid is dat grond verrijkt met biochar zeer vruchtbaar is. Vooral in tropische gebieden waar veel ontbossing plaatsvindt, zou het verrijken van verarmde tropische bodems tot verhoogde gewasopbrengst kunnen leiden en daardoor tot minder ontbossing. Meer informatie onder andere op de Nederlandse Wikipedia.

Ten slotte put ik ook enige hoop uit het smeltwater van gletsjers. Al heel lang geleden las ik dat oceanen een groot deel van onze CO₂-uitstoot  opnemen. Hierdoor verzuren de oceanen (CO₂ is koolzuurgas), wat tragisch is voor alle mooie skeletwezentjes die in de oceanen leven, van schelpen en kreeften tot zeelelies en zeevlinders, want hun kalkskeletten lossen op als de zee te zuur wordt. Het gevaar bestaat bovendien dat oceanen verzadigd raken. Nu al blijkt dat de oceanen veel minder CO₂ opnemen dan vroeger. Als de oceaan verzadigd raakt, zal de hoeveelheid CO₂ in de atmosfeer nog sneller stijgen dan nu al het geval is, met alle dramatische gevolgen van dien. Gelukkig komt er hulp vanuit onverwachte hoek: er komt een enorme hoeveelheid onverzadigd water in de oceanen bij. Namelijk het smeltwater van de gletsjers op Groenland en Antarctica. Het vrijkomen van smeltwater heeft weer zijn eigen nadelen (zeespiegelstijging), maar het helpt wel tegen de verzuring en verzadiging van de oceanen. Het lijkt erop dat de natuurlijke processen op aarde elkaar in balans houden, precies zoals Jelmer Mommers ook al schreef in zijn artikel over walvispoep. Ik begin de aarde als een lichaam te zien, met een hoofd en organen en handen en voeten. Een lichaam dat er alles aan doet om zich op temperatuur te houden.

MEER ONTWIKKELINGEN

In de opmerkingen onder deze blogpost post ik eventuele nieuwe ontwikkelingen die ik tegenkom, voor wie geïnteresseerd is.