為了應對氣候變化災難，科學家將網撒向了天空。他們想出了一系列碳捕捉技術方案。子孫後代有救了？
排出的二氧化碳，真的可能捉回來嗎？|EMILY SCHERER / GETTY IMAGES
作者 | 劉強 浙江大學環境與資源學院
地球溫度正在上升，極端天氣、森林火災、冰架垮塌等新聞層出不窮。遏制氣候變暖成為國際社會迫在眉睫的問題。二氧化碳作為最主要的溫室氣體，被認為是遏制氣候變暖的突破點。「碳中和」的概念應運而生。
碳中和是指國家、企業、產品、活動或個人，在一定時間內直接或間接產生的二氧化碳或溫室氣體排放總量，通過植樹造林、節能減排等形式，自己抵消自己產生的排放量，實現正負抵消，達到相對「零排放」。
在眾多碳中和技術路徑中，有一個治理思路，因其可高效降低大氣二氧化碳濃度的前景，而格外引人注意，那便是碳捕捉。
排出去的二氧化碳，有可能捕捉回來嗎？科技巨頭們已經開始了行動。
2021年1月21日，特斯拉創始人埃隆·馬斯克宣布將捐贈1億美元，用以獎勵最佳碳捕捉技術。「碳捕捉」概念一時風頭無兩。究竟是什麼技術，讓頂級科技巨頭如此豪擲千金？這個以美金計價的小目標，離我們普通人又有多遠呢？
1億美元獎勵最佳碳捕捉技術，敢不敢來玩兒？| XPRIZE 官網
碳從何來，餘額夠嗎？
要捕捉二氧化碳，找到其來源是第一步。
2013年，人類在夏威夷島上的環境監測站測得大氣二氧化碳濃度超過了400ppm（濃度單位，百萬分之一）的警戒線。二氧化碳濃度的持續上升成了科學家心頭揮之不去的陰霾。
過去幾年，這個凶手造成一系列災難。2020年夏天南方洪災、今年春天德克薩斯州極寒天氣等，都在不斷沖擊現代文明的承受底線。
眾所周知，以石油，煤炭和天然氣為代表的化石能源，是現代工業的基礎，它們都是由古代生物的遺骸經曆一系列複雜變化形成。這些深藏地殼深處，花費成千上萬年完成轉化的富碳資源，在過去不到一百年的時間，被人類挖出，提煉，轉化，焚燒……驅動人類文明走向物資繁盛，也成為二氧化碳的主要來源。
你可能很難想象，我們手裏不到200克的手機，生產過程會產生大約100千克的二氧化碳排放；汽車發動機每燃燒1升燃料，會向大氣層釋放約2.5千克的二氧化碳；生產一公斤牛肉，會產生將近300千克的碳排放；甚至每人每天通過呼吸，也會釋放大約1140克的二氧化碳。
這就是我們日常生活的碳足跡。排放二氧化碳就如同呼吸一樣，無處不在。但是，這些讓我們生活更美好的化工技術，卻給我們的下一代帶來無盡隱患。
面對這一困境，各國在2015年12月12日的巴黎氣候變化大會上通過《巴黎協定》。《協定》約定，各國的長期目標，是將全球平均氣溫，較前工業化時期，上升幅度控制在2攝氏度以內，並盡力將其限制在1.5攝氏度以內。
以其目標上限2攝氏度計算，全球碳排放允許的總量為1萬億噸。這是第一次，人類清晰界定了環境承受的極限邊界。
經過政府間氣候變化專門委員會（ICPP）測算，自19世紀工業革命以來，全世界累積排放已超過6000億噸，超過該預算總額的60%。根據當前的排放速度估算，若不采取強力幹涉措施，全球碳預算總額將在2045年耗盡。
碳預算超支的前景，不單指向全球升溫2攝氏度導致的海平面上升，還將宣告人類對於氣候變化調控的徹底失敗。伴隨兩極冰川融化，後續升溫速度會愈加迅速，最終釀成一場攸關人類存亡的巨大災難。
如不加控制，全球碳排放餘額將在2045年耗盡。|圖蟲創意
對著天空撒網？我們是認真的
面對窮追不舍的二氧化碳排放危機，各行各業都在積極應對，科學界更是首當其沖。
從邏輯上講，減少大氣中的二氧化碳有兩個努力方向：
一是減少輸入，即在最短時間內轉變我們的能源獲取方式，不再使用石油、煤炭、天然氣等富碳燃料，減少人類活動產生的二氧化碳；
二是增加去路，即盡最大可能增加環境和人工二氧化碳的固定能力，直接降低大氣中的二氧化碳濃度。
第一條路徑，目前可謂困難重重。因為能源是推動經濟增長的基礎，在現有技術條件下，如果立刻切斷富碳燃料作為能量供應源，會給所在國經濟帶來極大沖擊。尤其是許多國家尚未完成最基礎的工業化建設，貿然轉換能源供應格局，會直接給百姓生計乃至國家命運帶來巨大傷害，這在道義上，現實操作上都不允許。
以中國為例，即使四十年的改革開放給我國帶來了巨大的財富積累，以及令人吃驚的基建速度，我們能夠以一種稍微激進的方式轉向水能、核能、風能和太陽能等清潔能源，這些能源也確實在迅速提高占比。然而即便在2020年，我國能源消費結構中，煤炭仍占據約60%的份額。
因此，第二條路徑——提高環境和人工二氧化碳的固定能力——成為技術研發的焦點。
花草樹木，不單單是美麗的人間風景，也是勤勉的固碳小能手。植物始於本能的光合作用，仿佛是它們給予地球的美妙祝福：吸收二氧化碳和水，合成構建植物軀幹的有機物質，並釋放氧氣。森林作為陸地生態系統的主體，就是陸地上最大的「固碳倉庫」。
然而，植物雖然能固碳，但時效性慢，難以在短時間內遏制強勁的二氧化碳增加趨勢。人類自己闖下的禍終究還是要人類自己解決，工程幹預進行碳捕捉，便是這一理念下的產物。
我們嚷嚷著要征服自然，自然卻以自己的方式回以祝福，也給以嘲諷。|圖蟲創意
人類群體中最智慧的大腦，對此給出了許多拍案叫絕的方案。
當前碳捕捉技術的核心目的，是將人類活動產生的二氧化碳收集起來，加以儲存甚至利用，免其排放到大氣中。主要技術方向有三個，分別是：碳捕捉與儲存、碳捕捉與能源化利用、碳捕捉與資源化利用。
碳捕捉與儲存，即從人類工業生產、或單純的化石燃料燃燒的尾氣中，分離出二氧化碳，儲存起來使其不進入大氣。該過程通過燃燒後技術，或采用低碳的燃燒前技術，直接從煙道氣流中去除二氧化碳。完成二氧化碳捕捉後，再通過管道，將其注入一定深度的地下岩層中封存起來。
通常的封存地點是廢棄油田、氣田等。雖然有研究表明，采用高壓注水等途徑，可以加速使二氧化碳以碳酸鹽的形式和地殼岩塊結合，實現穩定儲存。但這些碳，終究只是以「打盹」的形式，維持著微妙的平衡存在地殼之中。一些科學家擔心，頻繁的地殼活動，終有一天會將這些氣體送回地面，其技術安全性還有待加強。
碳捕捉與能源化利用，則是將二氧化碳捕捉之後，再次用來獲取能量的一項技術路徑。簡單說，就是把二氧化碳變成燃料。二氧化碳一直是燃料燃燒後的尾氣成分，甚至被用來滅火，「二氧化碳燃料」這個名詞組合，都讓人有些怪異的別扭。但科學家的腦洞永遠是開區間的。碳捕捉後進行能量開發，最先人們考慮的是，采用太陽能，模擬植物光合作用，將二氧化碳固定成燃料。結果發現，即便實現了這個反應，也只能算是對高品位能源的儲能再釋放，有點得不償失。
直到熱機工作原理的新認識出現，相關技術才開始突飛猛進。以往熱機工作都是通過燃料燃燒，加熱腔室，獲取密閉空間的氣體膨脹，從而驅動熱機運轉。容易想到，加熱不是熱機工作的目的，而只是手段。如果我們的燃料原本就是極低溫的，回複到正常溫度，也會產生巨大膨壓，即便不燃燒，也能驅動熱機運轉。
二氧化碳恰是這樣一種神奇物質。常壓下，它以零下78.5℃超低溫、固態幹冰的形式存在；到了約10個大氣壓的環境中，又會變成液體流動，便於輸送。如果用幹冰作為工作介質，就可以吸收環境中的熱量，從而受熱氣化。如果這一過程被限制在一個封閉容器中，就可以得到數十個大氣壓的常溫二氧化碳氣體。理論上，這種高壓、常溫氣體，完全可以推動氣動機械做功。
蒸汽機（熱機的一種）可以通過燃料燃燒，將內能轉化為機械能。幹冰也可以通過常溫氣化，將內能轉化為機械能。|圖蟲創意
根據這一理念，低溫熱機迅速誕生。這幾乎是蒸汽機革命之後，人類對驅動能源做的最有意思的一次嘗試。碳捕捉完成後形成的幹冰物質，作為驅動熱機運轉的燃料，氣化後釋放到空氣中，之後再次被捕捉回來，從而保持一種人類活動與大氣狀態之間的奇妙平衡。
碳捕捉與資源化利用，則是另一個絕妙的固碳方案，即，把二氧化碳作為工業生產的原料使用。我們當前絕大多數的人造材料、合成制品，都是石油化工的產物，換句話說，都源自地球上的動植物數億年前收集的二氧化碳。理論上，以今天人類對物質的認識和改造水平，完全可以將捕捉到的二氧化碳，用於制備當前從石油衍生得到的化學品和材料。其關鍵在於，在這天馬行空的改造中，怎樣有效控制成本。
二氧化碳是一種極其穩定的分子，作為原料參與化工合成，需要吸收大量能量。這也意味著其轉化成本非常高昂。科學家們必須先找到一條低耗能的轉化路徑。事實上，截至當前，基於二氧化碳的產品開發技術，已經衍生出諸如建築材料、化學品、塑料聚合物、碳纖維和碳材料等極具潛力的分支。對於其資源化利用的明天，我們盡可拭目以待。
很多化學品和日用品，都是來自石油的衍生品。我們可以直接用二氧化碳代替石油使用。|XPrize
負碳而行，一場「冷靜地球」的賽跑
2015年，政府間氣候變化專門委員會（ICPP）發布了一份《1.5攝氏度特別報告書》，清晰描繪了地球升溫1.5攝氏度後的場景：全球氣候將不可逆地加速升溫，一個越來越熱的地球將是人類的噩夢。
讓地球「冷靜」下來，已經無需多言。
二氧化碳作為公認的元凶，已是過街老鼠。可是，人類過去以焚燒作為動力的生產模式，究竟有何問題？
焚燒，可以說是人類延續最久的「超級技能」。幾千年來，焚燒的介質從木頭，油蠟，煤炭，一直到今天門類齊全的石化天然氣，文明的火把相傳至今。過去千百年，獲取這份燃燒的熱量，便是焚燒的全部意義。逃逸到大氣中的二氧化碳，似乎是一件極其尋常的事情。
即便是到今天，我們對二氧化碳排放「大戶」，化工廠、水泥廠、酒廠、火電廠等，進行環境評價的時候，仍然只會關注，其排放物中是否有硫化物、氮氧化物、粉塵等特殊化合物，作為排放主要成分的二氧化碳，卻從未被認真對待。
而碳捕捉技術，不僅正視了這個問題，還第一次將二氧化碳作為一種資源加以注視。以人類文明發展的眼光看，比起焚燒產生的那點熱量所帶來的經濟效益，二氧化碳巨大的潛在利用價值，才是真正的寶藏。
隨著碳捕捉技術成熟，回收成本漸低，利用捕捉的二氧化碳進行工業生產，將變得十分尋常。那些聳立的大煙囪裏，湧出的大量二氧化碳，將不僅是對環境的危害，也是一種巨大的資源浪費。
我們固然會降低碳排，以應對氣候變暖的公共危機。就如，各國政府積極發聲，先後推出符合本國國情的減排乃至碳中和的時間表；各大企業巨頭也紛紛響應，以寧德時代為代表的幾大新能源巨頭以驚人的速度崛起；蘋果、小米等手機巨頭，計劃未來十年內，所有業務、生產供應鏈及產品生命周期將淨碳排放量降至零，並砍掉新產品的充電器，以促進實現碳中和。
哥本哈根有望在2025年成為世界上第一個實現碳中和的城市。|來自網絡
同時，我們也對碳捕捉及其開發利用技術充滿期待。樹立正確的低碳觀念，推進相關產業發展，相信我們會在氣候失控的懸崖前，勒住奔騰的碳排野馬，從根本上解決當前的碳排難題。
