脑洞大开：为减缓气候变暖，科学家开始捕捉二氧化碳
排出的二氧化碳，真的可能捉回来吗？|EMILY SCHERER / GETTY IMAGES
作者 | 刘强 浙江大学环境与资源学院
地球温度正在上升，极端天气、森林火灾、冰架垮塌等新闻层出不穷。遏制气候变暖成为国际社会迫在眉睫的问题。二氧化碳作为最主要的温室气体，被认为是遏制气候变暖的突破点。“碳中和”的概念应运而生。
碳中和是指国家、企业、产品、活动或个人，在一定时间内直接或间接产生的二氧化碳或温室气体排放总量，通过植树造林、节能减排等形式，自己抵消自己产生的排放量，实现正负抵消，达到相对“零排放”。
在众多碳中和技术路径中，有一个治理思路，因其可高效降低大气二氧化碳浓度的前景，而格外引人注意，那便是碳捕捉。
排出去的二氧化碳，有可能捕捉回来吗？科技巨头们已经开始了行动。
2021年1月21日，特斯拉创始人埃隆·马斯克宣布将捐赠1亿美元，用以奖励最佳碳捕捉技术。“碳捕捉”概念一时风头无两。究竟是什么技术，让顶级科技巨头如此豪掷千金？这个以美金计价的小目标，离我们普通人又有多远呢？
1亿美元奖励最佳碳捕捉技术，敢不敢来玩儿？| XPRIZE 官网
碳从何来，余额够吗？
要捕捉二氧化碳，找到其来源是第一步。
2013年，人类在夏威夷岛上的环境监测站测得大气二氧化碳浓度超过了400ppm（浓度单位，百万分之一）的警戒线。二氧化碳浓度的持续上升成了科学家心头挥之不去的阴霾。
过去几年，这个凶手造成一系列灾难。2020年夏天南方洪灾、今年春天德克萨斯州极寒天气等，都在不断冲击现代文明的承受底线。
众所周知，以石油，煤炭和天然气为代表的化石能源，是现代工业的基础，它们都是由古代生物的遗骸经历一系列复杂变化形成。这些深藏地壳深处，花费成千上万年完成转化的富碳资源，在过去不到一百年的时间，被人类挖出，提炼，转化，焚烧……驱动人类文明走向物资繁盛，也成为二氧化碳的主要来源。
你可能很难想象，我们手里不到200克的手机，生产过程会产生大约100千克的二氧化碳排放；汽车发动机每燃烧1升燃料，会向大气层释放约2.5千克的二氧化碳；生产一公斤牛肉，会产生将近300千克的碳排放；甚至每人每天通过呼吸，也会释放大约1140克的二氧化碳。
这就是我们日常生活的碳足迹。排放二氧化碳就如同呼吸一样，无处不在。但是，这些让我们生活更美好的化工技术，却给我们的下一代带来无尽隐患。
面对这一困境，各国在2015年12月12日的巴黎气候变化大会上通过《巴黎协定》。《协定》约定，各国的长期目标，是将全球平均气温，较前工业化时期，上升幅度控制在2摄氏度以内，并尽力将其限制在1.5摄氏度以内。
以其目标上限2摄氏度计算，全球碳排放允许的总量为1万亿吨。这是第一次，人类清晰界定了环境承受的极限边界。
经过政府间气候变化专门委员会（ICPP）测算，自19世纪工业革命以来，全世界累积排放已超过6000亿吨，超过该预算总额的60%。根据当前的排放速度估算，若不采取强力干涉措施，全球碳预算总额将在2045年耗尽。
碳预算超支的前景，不单指向全球升温2摄氏度导致的海平面上升，还将宣告人类对于气候变化调控的彻底失败。伴随两极冰川融化，后续升温速度会愈加迅速，最终酿成一场攸关人类存亡的巨大灾难。
如不加控制，全球碳排放余额将在2045年耗尽。｜图虫创意
对着天空撒网？我们是认真的
面对穷追不舍的二氧化碳排放危机，各行各业都在积极应对，科学界更是首当其冲。
从逻辑上讲，减少大气中的二氧化碳有两个努力方向：
一是减少输入，即在最短时间内转变我们的能源获取方式，不再使用石油、煤炭、天然气等富碳燃料，减少人类活动产生的二氧化碳；
二是增加去路，即尽最大可能增加环境和人工二氧化碳的固定能力，直接降低大气中的二氧化碳浓度。
第一条路径，目前可谓困难重重。因为能源是推动经济增长的基础，在现有技术条件下，如果立刻切断富碳燃料作为能量供应源，会给所在国经济带来极大冲击。尤其是许多国家尚未完成最基础的工业化建设，贸然转换能源供应格局，会直接给百姓生计乃至国家命运带来巨大伤害，这在道义上，现实操作上都不允许。
以中国为例，即使四十年的改革开放给我国带来了巨大的财富积累，以及令人吃惊的基建速度，我们能够以一种稍微激进的方式转向水能、核能、风能和太阳能等清洁能源，这些能源也确实在迅速提高占比。然而即便在2020年，我国能源消费结构中，煤炭仍占据约60%的份额。
因此，第二条路径——提高环境和人工二氧化碳的固定能力——成为技术研发的焦点。
花草树木，不单单是美丽的人间风景，也是勤勉的固碳小能手。植物始于本能的光合作用，仿佛是它们给予地球的美妙祝福：吸收二氧化碳和水，合成构建植物躯干的有机物质，并释放氧气。森林作为陆地生态系统的主体，就是陆地上最大的“固碳仓库”。
然而，植物虽然能固碳，但时效性慢，难以在短时间内遏制强劲的二氧化碳增加趋势。人类自己闯下的祸终究还是要人类自己解决，工程干预进行碳捕捉，便是这一理念下的产物。
我们嚷嚷着要征服自然，自然却以自己的方式回以祝福，也给以嘲讽。｜图虫创意
人类群体中最智慧的大脑，对此给出了许多拍案叫绝的方案。
当前碳捕捉技术的核心目的，是将人类活动产生的二氧化碳收集起来，加以储存甚至利用，免其排放到大气中。主要技术方向有三个，分别是：碳捕捉与储存、碳捕捉与能源化利用、碳捕捉与资源化利用。
碳捕捉与储存，即从人类工业生产、或单纯的化石燃料燃烧的尾气中，分离出二氧化碳，储存起来使其不进入大气。该过程通过燃烧后技术，或采用低碳的燃烧前技术，直接从烟道气流中去除二氧化碳。完成二氧化碳捕捉后，再通过管道，将其注入一定深度的地下岩层中封存起来。
通常的封存地点是废弃油田、气田等。虽然有研究表明，采用高压注水等途径，可以加速使二氧化碳以碳酸盐的形式和地壳岩块结合，实现稳定储存。但这些碳，终究只是以“打盹”的形式，维持着微妙的平衡存在地壳之中。一些科学家担心，频繁的地壳活动，终有一天会将这些气体送回地面，其技术安全性还有待加强。
碳捕捉与能源化利用，则是将二氧化碳捕捉之后，再次用来获取能量的一项技术路径。简单说，就是把二氧化碳变成燃料。二氧化碳一直是燃料燃烧后的尾气成分，甚至被用来灭火，“二氧化碳燃料”这个名词组合，都让人有些怪异的别扭。但科学家的脑洞永远是开区间的。碳捕捉后进行能量开发，最先人们考虑的是，采用太阳能，模拟植物光合作用，将二氧化碳固定成燃料。结果发现，即便实现了这个反应，也只能算是对高品位能源的储能再释放，有点得不偿失。
直到热机工作原理的新认识出现，相关技术才开始突飞猛进。以往热机工作都是通过燃料燃烧，加热腔室，获取密闭空间的气体膨胀，从而驱动热机运转。容易想到，加热不是热机工作的目的，而只是手段。如果我们的燃料原本就是极低温的，回复到正常温度，也会产生巨大膨压，即便不燃烧，也能驱动热机运转。
二氧化碳恰是这样一种神奇物质。常压下，它以零下78.5℃超低温、固态干冰的形式存在；到了约10个大气压的环境中，又会变成液体流动，便于输送。如果用干冰作为工作介质，就可以吸收环境中的热量，从而受热气化。如果这一过程被限制在一个封闭容器中，就可以得到数十个大气压的常温二氧化碳气体。理论上，这种高压、常温气体，完全可以推动气动机械做功。
蒸汽机（热机的一种）可以通过燃料燃烧，将内能转化为机械能。干冰也可以通过常温气化，将内能转化为机械能。|图虫创意
根据这一理念，低温热机迅速诞生。这几乎是蒸汽机革命之后，人类对驱动能源做的最有意思的一次尝试。碳捕捉完成后形成的干冰物质，作为驱动热机运转的燃料，气化后释放到空气中，之后再次被捕捉回来，从而保持一种人类活动与大气状态之间的奇妙平衡。
碳捕捉与资源化利用，则是另一个绝妙的固碳方案，即，把二氧化碳作为工业生产的原料使用。我们当前绝大多数的人造材料、合成制品，都是石油化工的产物，换句话说，都源自地球上的动植物数亿年前收集的二氧化碳。理论上，以今天人类对物质的认识和改造水平，完全可以将捕捉到的二氧化碳，用于制备当前从石油衍生得到的化学品和材料。其关键在于，在这天马行空的改造中，怎样有效控制成本。
二氧化碳是一种极其稳定的分子，作为原料参与化工合成，需要吸收大量能量。这也意味着其转化成本非常高昂。科学家们必须先找到一条低耗能的转化路径。事实上，截至当前，基于二氧化碳的产品开发技术，已经衍生出诸如建筑材料、化学品、塑料聚合物、碳纤维和碳材料等极具潜力的分支。对于其资源化利用的明天，我们尽可拭目以待。
很多化学品和日用品，都是来自石油的衍生品。我们可以直接用二氧化碳代替石油使用。｜XPrize
负碳而行，一场“冷静地球”的赛跑
2015年，政府间气候变化专门委员会（ICPP）发布了一份《1.5摄氏度特别报告书》，清晰描绘了地球升温1.5摄氏度后的场景：全球气候将不可逆地加速升温，一个越来越热的地球将是人类的噩梦。
让地球“冷静”下来，已经无需多言。
二氧化碳作为公认的元凶，已是过街老鼠。可是，人类过去以焚烧作为动力的生产模式，究竟有何问题？
焚烧，可以说是人类延续最久的“超级技能”。几千年来，焚烧的介质从木头，油蜡，煤炭，一直到今天门类齐全的石化天然气，文明的火把相传至今。过去千百年，获取这份燃烧的热量，便是焚烧的全部意义。逃逸到大气中的二氧化碳，似乎是一件极其寻常的事情。
即便是到今天，我们对二氧化碳排放“大户”，化工厂、水泥厂、酒厂、火电厂等，进行环境评价的时候，仍然只会关注，其排放物中是否有硫化物、氮氧化物、粉尘等特殊化合物，作为排放主要成分的二氧化碳，却从未被认真对待。
而碳捕捉技术，不仅正视了这个问题，还第一次将二氧化碳作为一种资源加以注视。以人类文明发展的眼光看，比起焚烧产生的那点热量所带来的经济效益，二氧化碳巨大的潜在利用价值，才是真正的宝藏。
随着碳捕捉技术成熟，回收成本渐低，利用捕捉的二氧化碳进行工业生产，将变得十分寻常。那些耸立的大烟囱里，涌出的大量二氧化碳，将不仅是对环境的危害，也是一种巨大的资源浪费。
我们固然会降低碳排，以应对气候变暖的公共危机。就如，各国政府积极发声，先后推出符合本国国情的减排乃至碳中和的时间表；各大企业巨头也纷纷响应，以宁德时代为代表的几大新能源巨头以惊人的速度崛起；苹果、小米等手机巨头，计划未来十年内，所有业务、生产供应链及产品生命周期将净碳排放量降至零，并砍掉新产品的充电器，以促进实现碳中和。
哥本哈根有望在2025年成为世界上第一个实现碳中和的城市。｜来自网络
同时，我们也对碳捕捉及其开发利用技术充满期待。树立正确的低碳观念，推进相关产业发展，相信我们会在气候失控的悬崖前，勒住奔腾的碳排野马，从根本上解决当前的碳排难题。