キックとキャッチ

Mar 21, 2023

雨の中ロサンゼルスの駐車場で待つジェス・アドキンスとロリ・ダホセ。 A. ハートマン氏の厚意による

1月にロサンゼルスを襲った嵐でも、カリフォルニア工科大学の地球化学者ジェス・アドキンス氏が共同設立した炭素隔離スタートアップ企業「カルカレア」を構成する4人チームの士気は弱まらなかった。 しかし、彼らは濡れました、とても濡れました。

1月9日、土砂降りの雨の中、グループはヘルメットと黄色いベストを着て南カリフォルニア大学の駐車場に立ち、セミトラックが大洋横断からの排出物を回収して地球の大気中の過剰な二酸化炭素を浄化できる化学反応器の部品を運ぶ間を送った。配送。 アドキンスと同僚のメリッサ・グティエレス（BS '19）、ピエール・フォリン、トロイ・ガンダーソンにとって、豪雨は思いがけない出来事となったが、その興奮は明白だった。 「雷が鳴らない限りは」とアドキンス氏は述べた。

Calcarea チームのメンバー、ジェス アドキンス、ピエール フォリン、メリッサ グティエレス (BS '19) は、雨の中プロトタイプの納品を待っています。 A. ハートマン氏の厚意による

炭素の回収と貯蔵の取り組みは長い間地球の大気を中心に行われており、企業は大気から二酸化炭素を除去して地下に貯蔵している。 このプロセスは効果的ではありますが、エネルギーを大量に消費するため、費用がかかります。 Calcarea ともう 1 つのカリフォルニア工科大学関連の新興企業 Captura は、焦点を海洋に切り替えることで異なるアプローチをとっている数少ない企業のうちの 2 社です。

海洋炭素の除去は、二酸化炭素レベルの増加により海洋酸性化によって海洋生態系が破壊されている海洋生物圏にとって有益であり、平衡プロセスを通じて大気から二酸化炭素を取り出す海洋の自然な能力も強化します。 Captura は海洋から炭素を直接除去することを計画しているが、Calcarea のチームは、二酸化炭素を石灰石と反応させて重炭酸イオンを生成する地球の自然プロセスを模倣することで、貨物船からの排ガスを直接浄化し、二酸化炭素を安全かつ永久に海洋に貯蔵することを目指している。

研究室での初期プロトタイプのデモンストレーションに続き、Calcarea のスケールアップされた反応器がヒューストンで製造されました。 そこで、1 月の雨の日、チームは USC キャンパスの端にある気取らない屋外駐車場に集まり、組み立ててテストしました。 チームは当日に嵐が予想される数か月前に納品を計画していましたが、それでもチームは仕事をやり遂げるという決意を持っていました。 活動が小康状態になった後、海洋学者のガンダーソン氏が大股で立ち上がり、悪い知らせを伝えた。原子炉自体の受け台を積んでいたその日最後のトラックが故障したのだ。 アドキンスは微笑んで首を振った。 「もちろんそうでした」と彼は言った。

CEOのアドキンス氏は、カルカレアに入社するまでスタートアップ企業を率いたことはなかったが、人為的な気候変動とその影響が差し迫った緊急性を持っていたため、思い切って踏み出さなければならないと感じた。 過去 200 年にわたり、人類は石油やガスなどの炭化水素を燃焼させることで効率的なエネルギーを豊富に得る方法を発見し、急速に加速する社会変革を可能にしました。 しかし、この進歩の結果、温暖化と気候変動は、私たちの地球と世界中の人々、特に発展途上国などの脆弱な地域社会の人々に多大な犠牲をもたらしています。

人間の活動は合計 400 ギガトンの二酸化炭素を排出しました。 その約3分の1は大気中に沈着し、そこで熱が閉じ込められ、地球温暖化の原因となります。 残りの 3 分の 1 は、光合成に二酸化炭素を使用する土壌、岩石、植物などの表面生物圏によって占められています。 一方、最後の3分の1は海に浸み込みます。

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人間の健康と地球への壊滅的な被害を回避する可能性を得るために、気候変動に関する政府間パネル (IPCC) は、地球の気温が 1.5 度以上上昇するのを防ぐ必要があると決定しました。 IPCC のモデルによれば、これは、再生可能エネルギーへの切り替えと、地球を汚染する排出による混乱を一掃するための二酸化炭素回収・貯留の実践の開始の両方によってのみ達成可能です。 たとえ明日化石燃料の使用がなくなったとしても、すでに放出されている 400 ギガトンの二酸化炭素に依然として対処しなければならないため、この二重のアプローチが必要です。 IPCC によると、これは年間 2 ギガトンを除去することを意味します。

「再生可能エネルギーに切り替えて経済を脱炭素化するだけではもはや十分ではありません」とアドキンス氏は言う。 「もっと早く始めていればできたかもしれないが、そうしなかった。今は大気中から二酸化炭素を除去しなければならず、経済も脱炭素化しなければならない。」

この緊急の存亡の危機と、二酸化炭素の回収と除去に新たに利用可能となった資金により、世界中の研究者が大胆な新しいアイデアを追求する動機となっています。ある者は駐車場やガレージで、またある者は自宅で研究を行います。 海洋の脱炭素化を目指すカリフォルニア工科大学からスピンアウトしたもう一つの新会社Capturaは、カリフォルニア工科大学工学・応用科学部門の責任者である共同創設者ハリー・アトウォーター氏の裏庭のプールで最初のプロトタイプをテストした。

「息子は大学を卒業したばかりで、生化学のプロジェクトを探していました」とアトウォーター氏は言う。 「私たちはテクノロジーの初期プロトタイプを開発するための資金を受け取ったばかりだったので、私は彼にこう言いました。『ねえ、数か月かけて、これで少し楽しんでみませんか？裏庭の水泳場に設置してみます』 Captura は裏庭で誕生して以来、その技術を現実にするために数百万ドルの資金と賞を獲得してきました。

Captura チームのメンバーであるカリフォルニア工科大学の大学院生エオウィン ルーカス (修士 '19) は、海水から二酸化炭素を直接捕捉する材料を開発しています。 ボブ・パス氏の厚意による

Calcarea の浄化活動の主なターゲットは海運業界です。 車や住宅は多くの場合、クリーンな風力や太陽光発電で簡単に電力を供給できますが、世界経済を動かす貨物船には効率的な再生可能エネルギー源がありません。 貨物船は年間世界の二酸化炭素排出量の 3%、つまり 1 ギガトンを占めています。 したがって、この部門から炭素を回収する取り組みに集中することで、IPCC モデルが要求する年間 2 ギガトンの除去が達成できる可能性があります。

Calcarea テクノロジーは、地球上ですでに起こっている自然のプロセスからインスピレーションを得たものです。 長期間にわたって、海洋の二酸化炭素ガスは、炭酸塩補償と呼ばれるプロセスで海底の石灰岩 (CaCO3) の殻と反応します。 この反応により二酸化炭素が変化し、カルシウムイオンと重炭酸塩が生成されます。 このようにして、自然は二酸化炭素レベルを自然に平衡させます。 もし明日地球上から人類が消滅するとしたら、大気中の二酸化炭素濃度は最終的には現在のレベルである100万分の421から約280ppmに戻ることになるが、それには数万年かかるだろう。

Calcarea を開始する 10 年近く前、アドキンス研究所の研究者たちは、石灰岩の風化の速度論を理解するために、このプロセスを加速することで地球の自然な炭素隔離プロセスを促進できると信じて取り組んでいました。 彼らは研究室でこのプロセスを触媒できる酵素を発見しましたが、十分に高い濃度（5パーセント）の二酸化炭素では風化反応がはるかに早く起こることにも気づきました。 貨物船からの排ガスはその基準を満たしていることが判明し、船は触媒がなくても反応を促進するのに必要な石灰石を簡単に運ぶことができます。

アドキンス氏は、石灰岩の風化促進を、大手海運会社に販売して自社の船に設置できる実行可能な炭素回収技術にすることに集中するため、チームを編成し、カリフォルニア工科大学からの休暇を手配し始めた。 彼は、ノルウェーのグリーン海運業界で働いていたエンジニアのフォリンと元カリフォルニア工科大学の学部生グティエレスを採用した。 その後、3 人は同じく共同創設者で南カリフォルニア大学の教授で生物地球化学者のウィル・ベレルソン氏とともに Calcarea を独立させました。

「私の研究の大きな側面は環境正義に関するものです」とカリフォルニア工科大学の学部時代を通じてアドキンスの研究室で研究を行ったグティエレスは言う。 「私たちは、カルカレアが、私たちがプロトタイプを設置している港の近くに住む人々などの地元コミュニティや環境政策グループとの関係を築き、私たちが取り組んでいることへの参加と賛同を確実にしたいと考えています。 」

研究チームは、貨物船からの排気ガスを石灰石と流れる海水で満たされたタンクに泡立てて流し込み、船の排出物から二酸化炭素を除去し、代わりに塩水を生成できる化学反応器を設計した。 Calcarea の技術は、特定の貨物船の排出物から二酸化炭素の最大 75% を除去できるはずです。

「新型コロナウイルス感染症の最中、ガレージの奥で一人で作業していた私は、今取り組むべき最も重要なことは何だろうと頭の中で考えていました」とアドキンス氏は振り返る。 「誤解しないでください。氷河周期やサンゴ、硫黄循環についての質問は、今でも朝ベッドから起き上がらせてくれるのです。しかし、それらのどれも大規模な二酸化炭素の隔離ほど重要ではありません。私たちは、次のことを試みるつもりです。問題を解決しないと解決しない。」

Captura のハリー・アトウォーターは電気化学者として、炭素回収の問題に別の角度から取り組んでいます。 同社は電気化学プロセスを使用して海水をろ過し、二酸化炭素ガスを除去します。 Captura のラボベンチは海から遠く離れていますが、実験で海水が残した結晶塩の模様がパサデナにある同社の作業スペースのいたるところで見られ、同社の最終的な目標である海上での技術の展開を物理的に思い出させます。

二酸化炭素が海に吸収されると、水との化学反応が起こり、溶存気体からイオン塩に変化します。このプロセスは、海水の pH レベルが 8.1 であるために起こります。 この変化が一度起こると、水から炭素を除去するのが難しくなります。 ガス状の状態を取り出すのははるかに簡単です。

Captura システムの基本は、塩の形にある海水中の炭素を二酸化炭素ガスに戻し、そのガスを隔離することです。 これは、一定量の海水の pH を一時的に下げることによって行われます。 海水の pH は 8.1 から 4 に下がり、炭素は強制的に二酸化炭素の形になります。 その後、水からガスが取り除かれ、チームは水を海に放出する前に、pH をもう少し基本的なレベルの 8.2 に戻します。

pH の調整は Captura システムの重要なコンポーネントであり、双極膜に依存します。双極膜は、海水 (H2O) を酸性化プロトン (H+) と「塩基化」ヒドロキシル (OH-) に分解する技術です。 カリフォルニア工科大学の研究教授であり、アトウォーター社の長年の共同研究者である Chengxiang "CX" Xiang 氏は、数十年にわたり双極膜の開発方法を研究していました。 彼とアトウォーターは 2021 年に Captura を設立し、うまくいくと信じてそれぞれが自分の資金をプロジェクトに投じました。 これまでのところ、彼らの投資は報われています。 シャン氏が最高技術責任者、アトウォーター氏が最高科学責任者として、Captura は最近、1,200 万ドルのシリーズ A 資金調達ラウンドを完了し、2022 年の XPRIZE 炭素除去コンペティションでの 100 万ドルの賞金獲得に続きました。

双極膜のさらなる開発は、大学院生エオウィン・ルーカスに課せられました。 ルーカスは、博士号の取得に取り組んでいる間、現在開発中の他の膜よりも効率的で強力な双極膜を作成しました。 彼女は今年後半にカリフォルニア工科大学を卒業した後、Captura チームにフルタイムで参加する予定です。

「これらの膜を研究室で作成することができました。今では、それらをスケールアップして実装して、非常に重要な現実世界の問題を解決することに取り組んでいます」と彼女は言います。 「博士号取得後の他のルートも考えましたが、この仕事を最後までやり遂げるしかありませんでした。興奮していますが、緊張しています。学校に通わなかったことが一度もありません。」

このようなテクノロジーを拡張する際の主なコストは、プロセスを実行するためのエネルギーの投入です。 Captura の計画は、淡水化プラントにシステムを設置してエネルギー インフラストラクチャを共有し、会社の能力が成長したら、スタンドアロンの Captura プラットフォームを構築することです。 現在、ニューポートビーチにあるカリフォルニア工科大学ケルクホフ海洋研究所では小型の試作機が稼働しており、海水から年間 1 トンの二酸化炭素を除去しています。 研究チームは現在、年間100万トンの二酸化炭素を隔離できるシステムの構築を目指し、40フィートコンテナほどの大きさのキロトンシステムの構築を進めている。

Captura と Calcarea は両社とも、自社のテクノロジーの品質管理を実施しており、プロトタイプをスケールアップする際に問題が発生する可能性があるすべての原因を特定しようとしています。 技術的課題に加えて、海洋は複雑で相互に関連した生物地球化学生態系であり、多くの科学者は潜在的な予期せぬ副作用を懸念して、気候変動の影響を相殺するという目標を定めて環境を操作することに慎重になってきた。 2 つのチームにとって未解決の疑問は、システムが実験台から海洋までどのようにスケールアップするのか、そして海面生態系が Calcarea と Captura システムの副産物によってどのように混乱するのかということです。

しかし、アドキンス氏は、潜在的な良いことは悪いことをはるかに上回っていると信じています。 「私たちは炭素排出量を生物圏に放出することですでに地球を混乱させており、その影響を今まさに目の当たりにしています」と彼は言う。 「石灰岩の風化の加速は、環境が炭素収支のバランスをとるためにすでに行っていることを模倣しているだけです。」

左から右へ:ニューポートビーチにある同社のパイロットシステムの前に立つCapturaのCory Atwater氏、CX Xiang氏、Ibadillah Digdaya氏、Harry Atwater氏。 XC Xiang 提供

地球を救おうとする起業家には、このようなプロジェクトに数十億ドルの政府資金が提供されており、産業界も気候変動との戦いの重要性を認識しています。 2022年に連邦政府が可決したインフレ抑制法は、公共交通機関の脱炭素化、製造業のクリーン化、十分なサービスを受けられていない地域社会への気候正義プロジェクトへの資金提供など、無数の持続可能性関連プロジェクトに3,700億ドルを割り当てている。

「炭素除去は、資本とエネルギーを大規模に投入する必要がある技術です」とアトウォーター氏は言う。 「30年か40年後には、世界中の膨大なインフラが二酸化炭素の除去に充てられることになるでしょう。政府は政策を主導してきましたが、最近、産業界のリーダーたちは、顧客ベースを維持するためには次のことが重要であると認識しました。」 「今後数十年間で事業の完全な脱炭素化に取り組む必要があります。これは本当に変革的な変化です。」

多くの民間企業は、炭素の除去と自社の排出量の削減を通じて気候変動と闘う必要性を認識しています。 たとえば、マイクロソフトは、1975 年の創業以来、排出したのと同じ量の炭素を隔離することを約束しました。これらの野心的な目標を達成するには、産業汚染者と Captura や Calcarea などの炭素除去会社とのパートナーシップが必要です。

政府と民間部門の両方がこれらのパートナーシップに資金を提供し、促進しており、これらの初期のスタートアップ企業に収益源と収益性へのアクセスを与えています。 たとえば、Captura は最近、脱炭素化を目指すフォーチュン 500 企業と脱炭素化を支援する企業の間の仲介役を務める民間炭素市場フロンティアから 50 万ドルの支援金を受け取りました。 同時に、米国政府は45Qと呼ばれる以前の税額控除プログラムを更新し、隔離された二酸化炭素1トンごとに企業に直接支払いを提供した。

Captura と Calcarea が提案する炭素回収ソリューションの主な利点は、費用対効果が高いことです。 大気中炭素回収の現在のリーダー企業は二酸化炭素を1トンあたり約1,000ドルで隔離できるが、Calcareaは1トンあたり76ドルで二酸化炭素を隔離できるのに対し、Capturaは1トンあたり65ドルでそれを目指している。

「結局のところ、私たちがやろうとしていることは、経済的なバランスシートがある場合にのみ機能します」とアドキンス氏は言う。 「環境法と政府の政策は、地球の健康に大きな違いをもたらす可能性があります。」

問題のタイムリーさに加え、新たな資金源の注入により、多くの研究者が炭素回収ビジネスに参入するようになっています。 現在、昆布や藻類を育て、海洋循環を変え、海のアルカリ度を高めるための新たな取り組みが進められている。 カリフォルニア工科大学のチームは、この競争と創造性を歓迎すると述べています。

「気候変動という巨大な課題に取り組むには、多様な戦術が必要です」とルーカス氏は言う。 「私たちは皆、助成金を獲得し、優秀な科学者を惹きつけようと努めていますが、同時にお互いを応援し合っています。」

アドキンス氏は、この問題はあまりにも重要なので、できるだけ多くの人がこの問題に取り組まなければならないと付け加えた。 「私のアプローチは、海洋学と古気候を研究する科学者としての出身地に基づいています。ハリーの経歴は電気化学の出身です。隔離すべき炭素は大量にあるので、すべてが全力で取り組んでいます。雨が降っても晴れても。」

ジェス・アドキンスは、地球化学と地球環境科学のスミッツ・ファミリー教授です。 彼は Calcarea の CEO を務めています。

ハリー・アトウォーターは、カリフォルニア工科大学工学・応用科学部門のオーティス・ブースリーダーシップチェアーであり、応用物理学および材料科学のハワード・ヒューズ教授であり、Liquid Sunlight Alliance のディレクターでもあります。 アトウォーター氏は Captura の共同創設者であり、最高科学責任者を務めています。