Techniek & Innovatie - Delft Matters

Techniek & Innovatie Klimaatimpact

Kunnen we de aarde afkoelen met een kunstmatige sluier van aerosolen hoog in de atmosfeer? De Europees, Japanse satellietmissie EarthCARE (Earth Clouds, Aerosols and Radiation Explorer) moet hier licht op werpen.

Tekst: Tomas van Dijk

Klimaatengineering klonk lange tijd als science fiction. Maar de laatste jaren is er steeds meer serieus onderzoek naar. Wat doet de TU op dit terrein? Hoe ethisch is het om met technische trucs aan de thermostaat van de aarde te draaien?

Wanneer we er niet in slagen de uitstoot van broeikasgassen voldoende terug te dringen en de nood aan de man komt, zouden we de aarde wellicht kunstmatig kunnen afkoelen. De ideeën voor technische ingrepen aan het klimaat zijn legio, en het ene idee is nog waanzinniger dan de andere.

Lees meer

Wat dacht je van schermen die in de ruimte openklappen en zonnestraling weerkaatsen? Ook wordt nagedacht over kunstmatige wolken met daarin zwaveldeeltjes die de aarde afkoelen. Of het onder stroom zetten van zeewater, waardoor CO₂ als prik opborrelt en af te vangen is, waarna de oceanen als gevolg van diffusie (het herstel van de concentraties aan gasdeeltjes) weer meer C0₂ uit de atmosfeer onttrekken.

Climate engineering is grofweg in twee categorieën te verdelen. Technieken die erop gericht zijn CO₂ uit de atmosfeer te halen en technologieën die een deel van de zonnestraling tegenhouden. Aan beide typen wordt aan de TU onderzoek gedaan. (zie kaders). Het gaat vooralsnog om relatief kleine projecten, met beperkte budgetten en menskracht. Maar het ziet ernaar uit dat onderzoek naar klimaatengineering de komende jaren meer momentum krijgt in Delft.

De aarde absorbeert een deel van de inkomende zonne-energie en laat een deel weer wegvloeien. Wolken spelen een dubbele rol: ze weerkaatsen inkomend zonlicht, maar fungeren tegelijk als deken dat warmte vasthoudt. (Afbeelding: via Herman Russchenberg)

Het effect van ijskristallen in de atmosfeer is soms ook met het blote oog te zien. Wanneer zonlicht door een ijle nevel van ijskristallen schijnt, leidt dat tot spectaculaire lichtverschijnselen: zogenaamde halo’s.

Eerste fulltime onderzoeker

Binnenkort werkt er bij de faculteit Civiele Techniek en Geowetenschappen (CiTG) een ‘Assistant Professor in Radiation Management for Climate Engineering’. Het is de eerste senior-onderzoeker aan de TU die zich compleet zal richten op de vraag of opwarming van de aarde te stoppen is door de instraling van de zon te verminderen met technisch ingrijpen. Je kunt dan denken aan aerosol-injectie in de stratosfeer, uitdunnen van sluierwolken met ijsvormende stofdeeltjes, plaatsen van spiegels in de ruimte en versterken van wolken door er zeezout in te sproeien.

Omstreden

De nieuwe Delftse collega mag zijn of haar borst natmaken. Al dit soort onderzoeken zijn omstreden. Een groep van tientallen klimaatwetenschappers en bestuurskundigen pleitte onlangs met een petitie voor een verbod op zonne-klimaatengineering.

De risico’s van zonne-klimaatengineering worden slecht begrepen en kunnen nooit volledig bekend zijn, menen onderzoekers van het Copernicus Instituut voor Duurzame Ontwikkeling van de Universiteit Utrecht. Zij namen het initiatief voor de petitie. De groep roept academici, maatschappelijke organisaties en bezorgde individuen op om een open brief te ondertekenen aan regeringen, de Verenigde Naties en andere organisaties om de ontwikkeling en het mogelijke gebruik van zonne-klimaatengineering op wereldwijde schaal een halt toe te roepen.

Internationale instellingen zijn volgens de initiatiefnemers niet in staat om de wereldwijde inzet van deze technologie goed te reguleren. Als slechts een select clubje landen naar deze methoden grijpt, kan dat ten koste gaan van andere landen, vrezen zij. Het klimaat in het ene land beïnvloedt immers het klimaat in naburige landen. Bovendien zou het onderzoek het huidige mondiale klimaatbeleid, gericht op uitstootreductie, vertragen.

Omkeerbaar

“Het zijn stuk voor stuk terechte zorgen die ik volkomen deel”, vertelt hoogleraar energie- en klimaatethiek Behnam Taebi. “We moeten vol inzetten op mitigatie (uitstootreductie). En ik hoop dat we nooit gebruik zullen maken van zonneklimaat-engineering.”

Toch is Taebi faliekant tegen een verbod. “Juist omdat de risico’s groot zijn, moeten we de technieken onderzoeken. Klimaatverandering treft sommige delen van de wereld harder dan anderen. In delen van India is het zo heet dat het asfalt smelt.

Als we ons in de toekomst genoodzaakt zien om de temperatuur op bepaalde plekken te verlagen, kunnen we maar beter van te voren de achterliggende fysica en de ethische en bestuurskundige aspecten hebben bestudeerd”, beredeneert hij.

“We moeten onderzoeken of de technieken op een omkeerbare wijze te gebruiken zijn. Mochten de risico’s na toepassing onacceptabel zijn, dan moeten de effecten terug te draaien zijn. Dat is een belangrijk ethisch criterium. En we moeten blijven benadrukken dat mitigatie het allerbelangrijkst is.”

Willen die aerosolen effect hebben, dan moet je ze op 20 kilometer hoogte aanbrengen met speciale vliegtuigen.

EEN SLUIER VAN AEROSOLEN

‘A specialised delivery system for stratospheric sulphate aerosols’. Dat is de titel van het artikel van Martin Janssens van de afdeling geoscience & remote sensing (CiTG) en TU-alumna Iris de Vries (nu verbonden aan de ETH Zurich) dat in 2020 verscheen in het blad Climatic Change. “Ons idee was om te onderzoeken hoe je kleine druppeltjes (aerosolen) met daarin zwavelhoudende verbindingen in de stratosfeer zou kunnen sproeien”, vertelt De Vries. “Bij een vulkaanuitbarsting komen vergelijkbare deeltjes in de bovenste luchtlagen en die verkoelen de planeet. Wij hebben ons onder meer gebogen over de vraag hoe je die druppeltjes daar krijgt. Je hebt vliegtuigen nodig die op twintig kilometer hoogte kunnen vliegen. Dat is een uitdaging. Op die hoogte is de lucht namelijk heel ijl. Je hebt vliegtuigen met enorme vleugeloppervlakken nodig.” Vervolgonderzoek moet onder meer aantonen hoe de aerosolen zich gedragen. Wat voor chemische reacties met andere deeltjes gaan ze mogelijk aan hoog in de atmosfeer? En, ook niet onbelangrijk, gaat de ‘klimaatwinst’ niet geheel teniet door de uitstoot van de vliegtuigen die af en aan vliegen om de sluier te creëren?

SCHADUWDOEK IN DE RUIMTE

Een doek zo groot als het vasteland van Europa. Jeannette Heiligers, assistant professor astrodyamics & space missions (faculteit Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek) bestudeert met collega’s van een tiental andere universiteiten of door plaatsing van een gigantisch schaduwdoek (van 10 miljoen vierkante kilometer) in de ruimte de opwarming van de aarde tegen te gaan is. Het idee is om een vloot van kleine satellieten de ruimte in te sturen die een zeil uitklappen en samen een soort lappendeken vormen die de zonneschijn op aarde met 2 procent vermindert. Heiligers berekent de optimale plek in de ruimte. “Om het zonlicht met 2 procent te verminderen, hoeft het doek slechts over een deel van de aardbol een schaduw te werpen”, vertelde ze in een TU Delft Story. “We hebben nu een locatie in de ruimte op het oog die zich daar perfect voor leent, het Lagrangepunt. Dat punt bevindt zich op ongeveer 1,5 miljoen kilometer vanaf de aarde naar de zon. Daar zijn de krachten op een satelliet of ander voorwerp zodanig dat het blijft stilhangen ten opzichte van de aarde.”

Gigantische schaduwdoeken zijn ook geopperd om de aarde mee af te koelen.

Kleur in debat

Tijdens zijn inaugurele rede als hoogleraar op 29 april, getiteld ‘Battling Climate Dystopia with Engineering? A view from Ethics’, brak de professor een lans voor meer nuance in discussies. Taebi bespeurt een tendens dat discussies over ethiek en techniek worden gereduceerd tot ‘voor’ of ‘tegen’. “Het is vaak zo zwart-wit. Ik wil graag meer kleur in het debat over de ethiek van de techniek. Je ziet het ook bij debatten over kernenergie.

Er wordt vaak aan voorbij gegaan dat er verschillende vormen zijn van kernenergie.” De effecten van klimaat engineering zijn onzeker, onderschrijft ook hoogleraar atmospheric remote sensing Herman Russchenberg in wiens groep de nieuwe Assistant Professor in Radiation Management for Climate Engineering komt te werken. “Ik pleit er zeker niet voor om vandaag met aerosolen aan de gang te gaan om de opwarming tegen te gaan.

We moeten de technieken onderzoeken om straks weloverwogen te kunnen bepalen of we dergelijke maatregelen moeten nemen. Er zitten grote onzekerheidsmarges om de klimaatmodellen. Als we in 2050 geconfronteerd worden met hogere temperaturen dan verwacht, is het fijn als we nog wat kunnen ondernemen. Dat gezegd hebbende, zou het natuurlijk een kapitale blunder zijn om nu niet vooral te focussen op het terugdringen van de CO₂-uitstoot.”

Je kunt koolstofdioxide ook opbergen in rotsformaties, of diep in zee. Of je legt het vast in biomassa door extra gewassen te laten groeien in woestijnen of algen in zee. (Afbeelding via Herman Russchenberg)

KALKSTEEN UIT DE OCEANEN

In laboratoria lukt het al aardig. Pas de zuurtegraad van een oplossing aan en je kunt de CO₂ die erin zit gebruiken om calcium- en magnesiumcarbonaat te maken, oftewel: kalksteen. Op die manier zou koolstofdioxide uit de atmosfeer te halen zijn. CO₂ is al goed uit rookgassen te halen, is dat niet voldoende? “Daarmee kun je amper de helft van alle CO₂-emissies aanpakken”, zegt David Vermaas, universitair hoofddocent elektrochemische systemen bij de faculteit Technische Natuurwetenschappen. “De uitdaging is om technologie te maken om die andere helft te compenseren, en daarvoor is CO₂ afvangen uit zeewater een oplossing. Er zit 150 keer zo veel CO₂ in een liter water als in een liter lucht.” De oceanen vormen een grote buffer. Ze nemen grote hoeveelheden CO₂ uit de lucht op. Verlaag je de concentratie in de oceanen, dan zullen ze nog meer koolzuurgas uit de lucht opzuigen. Het idee is dan ook om bestaande ontzoutinginstallaties aan te passen, zodat zij in de toekomst ook CO₂ uit het water kunnen halen. Als extra winst voorkomt de techniek kalkaanslag in de ontzoutingsinstallaties.

Elektrochemische cellen zijn nodig die zuren en basen maken. Maar er bestaan veel variaties op het thema. De onderzoeksgroep van Vermaas analyseerde samen met ingenieursbureaus Wetsus en Caltech de methoden en vergeleek ze met elkaar. De bevindingen verschenen onlangs in Energy & Environmental Science: ‘Electrochemical carbon dioxide capture to close the carbon cycle’. Het team van Vermaas werkt aan een techniek waarbij een membraan in het water onder stroom gezet wordt. Watermoleculen ontleden zich dan in zure H⁺– en basische OH^–-deeltjes. “Als je een membraan plaatst tussen het zure en het basische deel, zet je twee chemische reacties in werking. In het zure deel wordt koolzuur gevormd. Die bubbelt na verloop van tijd vanzelf uit het water en is zo af te vangen. In het basische deel ontstaan stoffen als calcium- en magnesiumcarbonaat. Daarmee trek je CO₂ uit het water, en indirect uit de lucht, om klimaatverandering tegen te gaan.”