气候变化:人工光合作用如何有助于限制全球变暖?
科学家们计算了造林和人工光合作用所需的面积
在全球碳排放至少停滞了几年之后，在2017年和2018年又有所上升。德国显然也没有达到其气候目标。为了将全球变暖控制在2摄氏度以下，到2050年，只有大约11亿吨的二氧化碳排放到大气中。为了将全球变暖控制在1.5摄氏度以内，全球可能只排放不到4000亿吨的二氧化碳。到2050年，排放量将不得不降至零。然而，目前每年增加420亿吨二氧化碳。
几乎所有的情况都需要“负排放”。政府间气候变化专门委员会(IPCC)对各种情况进行了数值模拟。只有在最乐观的情况下，气候目标仍然可以通过在所有部门(运输、农业、建筑、能源等)立即采取严厉措施来实现。在不那么乐观的情况下，国际社会将不得不从2030年或最迟2050年开始采取额外措施:我们将不得不实施“负排放”，即从大气中去除大量二氧化碳，并将其永久储存，以平衡碳预算。负排放的一个例子是大规模的造林——只要不把二氧化碳用作燃料，森林就会把它封存在木材中。但是二氧化碳也可以通过人工光合作用从大气中去除并结合起来。
物理学家现在已经计算出这是如何工作的。HZB太阳能燃料研究所的Matthias May博士是人工光合作用方面的专家。Kira Rehfeld博士是海德堡大学研究气候和环境变化的环境物理学家。
自然光合作用:一个面积相当于欧洲的面积必须被森林覆盖。在中等情况下，从2050年左右开始，每年至少需要从大气中去除100亿吨二氧化碳，以平衡气候碳预算。但是，为了减少二氧化碳而进行的造林和生物量的种植争夺的是农业所需的相同领域。因此，仅凭更多的生物量是难以达到这一规模的，因为自然光合作用不是一个特别有效的过程。树叶可以利用最多2%的光将二氧化碳和水转化成新的化合物。这两位物理学家认为，为了每年在森林中吸收100亿吨二氧化碳，地球上大约1000万平方公里的肥沃土地必须种植新的森林。这相当于欧洲大陆的面积(直到乌拉尔山脉!)
有了人工光合作用，勃兰登堡州那么大的面积就足够了。目前正在研究的用于人工光合作用的材料系统可能会更有效地结合二氧化碳。例如，今天在实验室规模上，由半导体材料和氧化物组成的光电化学系统可以利用约19%的光来分解水，从而实现光合作用过程的一部分。然而，May和Rehfeld所设想的材料系统并不是利用阳光产生氢气，而是将二氧化碳分子结合并转化为稳定的化合物。“然而，从物理化学的角度来看，这是一个相对类似的问题，”梅说。
然而，前提是到2050年将有可能开发出大规模、耐用的模块，利用太阳能将大气中的二氧化碳转化为其他化合物。可以计算出该解决方案所需的面积。假设效率为19%和系统损失的50%，每年大约30 000平方公里的模块就足以从大气中提取100亿吨二氧化碳。这相当于德国联邦勃兰登堡州的大致面积。这些模块可以放置在非农业地区，比如沙漠。与植物相比，它们几乎不需要任何水就能运转，而且当暴露在强烈的太阳辐射下时，它们的效率不会受到影响，”梅解释道。提取的二氧化碳可以转化成甲酸、酒精或草酸盐，并与其他化合物(如氯化钙)结合，形成固体矿物质，可以储存，甚至作为建筑材料以塑料的形式使用。
关注发展，而不是奇迹。即使梅和雷费尔德确信，应该更仔细地考虑这些解决方案，他们也警告不要依赖技术奇迹。这是因为这样的系统仍然只能在最小的规模下运行，成本高昂，而且从长远来看并不稳定。要改变这种状况，就需要在研发方面进行大量投资。
“开发这样的模块可能是可能的，但即使我们能够建造它们，我们估计转换每吨二氧化碳至少要花费65欧元。”100亿吨二氧化碳的提取每年花费6500亿欧元。此外，负排放只能是减缓戏剧性气候变化的最后手段。现在最好的办法是立即大幅减少排放——这样更安全，也更便宜，”梅说。
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