Ett hörn av Omaniöknen är täckt av en typ av sten med en outsläcklig törst efter en färglös och luktfri gas som är avgörande för livet på jorden. Den gasen är CO2, och när det reagerar med peridotit, en sten riklig i jordens mantel, det är uppsugat, bildar ett fast karbonat som liknar kalksten.

Den omanska peridotiten absorberar för närvarande uppskattningsvis 10, 000 till 100, 000 ton koldioxid per år, men forskare säger att med lite mänsklig inblandning, den skulle kunna påskyndas för att absorbera en åttondel av de 38 miljarder ton koldioxid som släpps ut genom förbränning av fossila bränslen runt om i världen. En växthusgas, CO2 ackumuleras i jordens atmosfär, där den fångar värme och höjer den globala medeltemperaturen, bränsle till extremt väder som varmare värmeböljor, oftare torka, och kraftigare orkaner. Den nuvarande koncentrationen av CO2 är cirka 400 ppm, det högsta det har varit på åtminstone de senaste 800, 000 år.

Även om det bara är en av bergarterna med CO2-absorberande egenskaper, och bara en metod för att minska effekten av CO2-utsläpp, peridotit skulle kunna bidra till att mildra de överhängande riskerna som klimatförändringarna utgör.

Pionjärerna bakom peridotforskningen, Peter Kelemen och Juerg Matter, geologer vid Columbia Universitys Lamont-Doherty Earth Observatory, upptäckte peridotitens affinitet för att konsumera CO2 när de tog med den till labbet för att fastställa dess ålder. Insåg att peridotiten hade reagerat med CO2 relativt nyligen, de började föreställa sig hur skalning reaktionen kan se ut.

Även om det skulle bli för dyrt att flytta berget nära kraftverk där det skulle kunna suga upp utsläpp, forskarna föreslår att CO2 skulle kunna ledas in i jordens peridotitfyllda mantel genom en process som liknar hydraulisk sprickbildning. Detta kan öppna upp ett gigantiskt förvar för gasen som inte skulle bero på plats, men medför miljökonsekvenser som skulle behöva beaktas noggrant.

Naturdrivna lösningar

Geologer har länge förstått att stenar är en viktig kolsänka. Stenvittring inträffar när CO2 löses i droppar av regnvatten, lägga till surheten som krävs för att lösa upp mineralerna som utgör berget. Stenvittring drar uppskattningsvis en miljard ton CO2 ut ur atmosfären årligen.

"Att förstå dessa naturliga kemiska processer kan leda till genombrott som gör att vi kan använda och påskynda processer som minskar CO2 i atmosfären, " säger Bradley Sageman, professor och ordförande för jord- och planetvetenskaper vid Northwestern. "Metoder som dessa som är standardteknik idag ansågs vara science fiction förr. Ta exemplet omansk peridotit. Om vi ​​kunde utnyttja den reaktionen, vi har en potentiellt transformerande mekanism för att absorbera CO2 i stor skala."

Några av Sagemans kollegor studerar kinetiken för väderleksreaktioner för att få en grundläggande förståelse för kolets kretslopp – den cirkulära omvandlingen av kol mellan levande varelser och miljön. Naturliga användare av CO2 inkluderar skogar, våtmarker, och torvmossar. Forskare har studerat dessa och andra kolsänkor för att utveckla många konstgjorda processer som ger liknande effekter.

Två vanligen diskuterade typer av artificiell lagring är havslagring – pumpning av CO2 djupt ner i havet – och geologisk lagring – injicering av CO2 djupt in i utarmade olje- och gasreservoarer eller kolbäddar som inte kan brytas. Forskare tvekar att driva någon av dessa lösningar aggressivt av oro över stabiliteten hos störda naturliga system och de potentiella effekterna på havets liv.

För att bättre förstå dynamiken i lagringslösningar, Sageman och hans team ser till perioder i jordens historia som kännetecknas av höga nivåer av atmosfärisk CO2 och uppvärmning. "Mycket av arbetet vi gör är att förbättra vår förståelse av hur jordens system betedde sig under tidigare händelser av global uppvärmning. Detta borde leda till ett bättre ramverk för att urskilja vad som kan hända i en framtida uppvärmning värld, " han säger.

Även om avskiljning och långtidslagring av CO2 föreslår några hållbara lösningar för att mildra CO2, forskare tittar också på gasen som en resurs för att skapa ren energi. Över hela världen, forskare visar att CO2 kan vara en nyckelingrediens i många tekniker som producerar ren, kolneutral energi.

Sådan teknik skulle kunna komplettera nuvarande fossilbränslebaserade system för att minska utsläppen, och så småningom fånga upp CO2 från atmosfären för att hjälpa till att mildra klimatförändringarna. Stora och små företag – inom branscher som sträcker sig från energi till flygbolag till fordonsindustri – lägger märke till det.

Industrial Strength Solutions

Branschstrateger över hela linjen, från små startups till multinationella företag, vill definiera sina roller och möjligheter i en framtid med ren energi. De letar efter kompletterande färdigheter, teknologier, eller teknologer som är i färd med att utveckla innovationer som är tekniskt genomförbara, men saknar blick mot marknaden. De vet att med risk kommer belöning, och pionjärerna väntar inte på den perfekta lösningen på deras energibehov; de arbetar med de smartaste teknologerna för att skapa den.

Jämfört med företag i många andra branscher, allmännyttiga företag är inte kända för att investera mycket i forskning och utveckling, istället förlitar sig på en relativt statisk kunskapsbas. Att störa det status quo, Exelon, det största reglerade verktyget i landet som betjänar 10 miljoner konsumenter, investerar aggressivt i teknologier som kan forma till kundinriktade produkter.

Exelon investerar i många projekt i tidiga och mellanstadier som kompletterar dess tjänster samtidigt som de minskar dess koldioxidavtryck, inklusive investeringar i solenergi, bränsleceller, och batterier. Ett exempel, ett företag som heter NetPower, använder CO2 som arbetsvätska för att driva en förbränningsturbin som genererar elektricitet utan att producera några utsläpp. Systemet producerar även CO2 av pipelinekvalitet som kan lagras eller användas i industriella processer, inklusive en förbättrad oljeåtervinningsprocess där CO2 injiceras i en oljereservoar för att öka produktionen.

I mars 2016 NetPower bröt mark på en 50-megawatt demonstrationsanläggning i La Porte, Texas, med målet att fungera lika effektivt som de bästa naturgasanläggningarna idag. En del av ett program på 140 miljoner dollar, anläggningen kommer att omfatta pågående tekniska framsteg, ett fullständigt test- och driftprogram, och kommersiell produktutveckling. Toshiba kommer att tillhandahålla en superkritisk CO2-turbin och brännare för projektet.

"Många människor säger att naturgas är ett brobränsle för att minska utsläppen i elsektorn, men eftersom de flesta naturgasanläggningar drivs av turbiner som är beroende av en traditionell ångcykel, de kan inte producera högkvalitativ CO2 som kan användas för andra saker, " säger Gould. "Utöver det, eftersom NetPower-anläggningar inte kräver ånga för att driva sina turbiner, det eliminerar också vattenanvändning."

Bränsle Värdeskapande

Som NetPower, många teknikföretag har utvecklat processer för att hjälpa industrier att minska sitt koldioxidavtryck, och i vissa fall, göra nya produkter i processen. Ett sådant företag, LanzaTech, gör vågor i kolåtervinning med en egenutvecklad biologisk process som använder en mikrob för att omvandla industriella utsläpp till användbara bränslen och kemikalier.

"Vi omvandlar utsläpp till en mängd nya värdefulla produkter som annars skulle komma från råvaror, " säger Prabhakar Nair, LanzaTechs vice vd för affärsutveckling.

LanzaTechs process arbetar med en mängd olika mikrober, gör det möjligt för en kund att specificera önskad produktion – för närvarande antingen etanol eller butandiol – och dra fördel av marknadsförhållandena.

Efter att ha öppnat två förproduktionsanläggningar i Kina, LanzaTech planerar att öppna sin första skalade kommersiella anläggning i Shanghai i slutet av 2017. Företaget samarbetar också med världens största stålproducent, ArcelorMittal, att genomföra ett projekt i kommersiell skala vid dess flaggskeppsstålverk i Belgien.

Nyckeln till företagets framgång, enligt Nair, ligger i synergin mellan tekniken, industripartners, och produktavtagare. Full service på en demo-skala anläggning inkluderar att länka industripartners med köpare för biprodukten som produceras där. Till exempel, LanzaTech har kopplat stålproducenter till lokala raffinaderier som enligt lag måste blanda in etanol i sina bränsleblandningar.

"Genom att fungera som bryggan mellan industrier som har en råvaruförsörjning och de som har behov, och genom att göra det med avfallsutsläpp, vi sätter igång den cirkulära ekonomin, säger Nair.

Företaget fick nyligen 4 miljoner dollar från US Department of Energy's Bioenergy Technologies Office för att designa och planera en demonstrationsanläggning som använder industriella avgaser från ståltillverkning för att producera tre miljoner liter lågkolhaltiga jet- och dieselbränslen per år. Detta kommer i hälarna på ett partnerskap med Virgin Atlantic, som planerar en testflygning 2017 med jetbränsle tillverkat av LanzaTechs egenutvecklade etanol med låg kolhalt. LanzaTech uppskattar att dess teknologi är kompatibel med 65 procent av stålverken, och om det implementeras skulle det kunna producera 15 miljarder liter flygbränsle om året, eller en femtedel av flygbränslet som används runt om i världen.

Race to the Solar Refinery

Tänk dig att dra till bensinstationen imorgon, men istället för att välja mellan blyfri, plus, eller diesel, du sträcker dig efter ett mycket effektivt bränsle endast tillverkat av solljus, vatten, och CO2.

Just dessa komponenter som utgör detta "solbränsle" är samma tre saker som levande växter omvandlar till mat. Döpt till "konstgjord fotosyntes, "I skala kan denna process hoppa över stora hinder för att minska beroendet av fossila bränslen.

Med sina fördelar, det är inte konstigt att forskningen om solbränslen har tagit fart över hela världen – från nav i Japan och Sverige till Joint Center for Artificial Photosynthesis (JCAP) i Kalifornien, grundades av US Department of Energy 2010. Med en budget på 122 miljoner USD över fem år, JCAP:s uppdrag är att bygga en prototyp av ett solbränslesystem.

Komponenterna i systemet som JCAP föreställer sig är ganska grundläggande. Systemet kräver ett fotovoltaiskt material för att absorbera ljusenergi från solen, som sedan riktas mot två separata katalysatorer för att sänka det energiska hindret för en reaktion. Den ena katalysatorn delar vatten till protoner och syre och den andra omvandlar koldioxid och protoner till kolväten, huvudkomponenterna i bränslen. Även om dessa processer för närvarande är möjliga, de utgör fortfarande utmaningar.

Den ena är ekonomisk. Materialen som används i både solceller och katalysatorer är dyra, inklusive sällsynta material som iridium eller platina, vilket innebär en skalbarhetsutmaning. Den andra är effektivitet. Även om det är tio gånger effektivare än naturlig fotosyntes när det gäller att fånga och omvandla solens energi, den högsta registrerade effektiviteten för artificiell fotosyntes är fortfarande bara 10 procent. Det är mindre än hälften av effektiviteten hos silikonpaneler på marknaden idag.

Så varför allt krångel för att göra energitäta bränslen när vi har effektivare förnybar teknik tillgänglig idag? Källor till förnybar energi, inklusive sol och vind, kan bara genereras intermittent - när solen skiner eller vinden blåser. Bränslen utgör ett lönsamt alternativ för energilagring i nätskalan som kan kompensera för den intermittenten och enkelt transporteras dit de behövs.

Energitätheten för bränslen är också cirka 100 gånger högre än för de högst presterande batterierna, och många transportsätt – inklusive bilar, fartyg, och flygplan – har redan infrastrukturen för att drivas med bränsle. Och när det gäller att mildra effekterna av klimatförändringarna, om dessa bränslen var gjorda av koldioxid som fångats från luften, processen skulle vara kolneutral och inte släppa ut nya växthusgaser till atmosfären.

Samarbete i global skala

Eftersom många frågor är obesvarade, JCAP har ändrat sitt mål att skapa ett solbränslesystem, istället fokusera på att få grunderna rätt. Under tiden, andra forskare fortsätter med ett helt system.

Det tillvägagångssättet kommer att kräva samarbete och systemteknik, säger Michael R Wasielewski, Clare Hamilton Hall professor i kemi och chef för Argonne-Northwestern Solar Energy Research (ANSER) Center. "Forskare har delsystem som kan prestera på någon baslinjenivå, men när du försöker integrera dem, det är inte sömlöst och därför inte kommersiellt gångbart. Du behöver forskare som samarbetar med ingenjörer för att reda ut felen och skapa ett komplett fungerande system, " säger Wasielewski.

På ANSER, ett Energy Frontier Research Center vid det amerikanska energidepartementet, Wasielewski arbetar med mer än 60 forskare för att utveckla en grundläggande förståelse för molekylerna, material, och metoder som krävs för att skapa betydligt effektivare teknologier för solbränslen och solelproduktion. Under 2013, Wasielewski grundade också Solar Fuels Institute (SOFI).

SOFI lanserade ett sex-fas demonstrationsprojekt 2016 med sikte på att ta ett system för att utveckla solbränslen. I slutet av förra året, SOFI-forskare hade framgångsrikt producerat metanol i labbet på Northwestern. "SOFI-demoprojektet sågs som ett system från början, " säger Wasielewski. "Vi kommer att behöva få det här att fungera från den ena änden till den andra. Men vi kan inte göra det ensamma."

Som ett globalt konsortium, SOFI har universitets- och industripartners från hela världen – från akademiska institutioner som spänner över tre kontinenter till stora multinationella företag som Shell och Total. Fortfarande, SOFI söker samarbeten från breda områden, inklusive ekonomi och politik, att arbeta med implementeringsstrategier.

"Generellt, "Wasielewski säger, "Forskare och ingenjörer kan komma på mer än en lösning på ett problem. Vi kan finjustera en process så att den blir så mycket mer effektiv, men vi kan inte veta vad prioriteringarna är för verkliga kunder om vi inte involverar dem tidigt. Det är det som utgör en banbrytande teknik."