Frapper et attraper

Mar 21, 2023

Jess Adkins et Lori Dajose attendent sous la pluie sur le parking de Los Angeles. Avec l'aimable autorisation de A. Hartmann

Même une tempête en janvier à Los Angeles n'a pas pu ébranler l'équipe de quatre personnes qui compose Calcarea, une start-up de séquestration du carbone cofondée par le géochimiste de Caltech Jess Adkins. Mais ils se sont mouillés, très mouillés.

Le 9 janvier, au milieu d'une averse torrentielle, le groupe se tenait dans un parking de l'USC enfilant des casques de protection et des gilets jaunes alors que des semi-remorques livraient les composants d'un réacteur chimique qui pourrait un jour nettoyer l'excès de dioxyde de carbone dans l'atmosphère terrestre en capturant les émissions de transocéanique expédition. La forte pluie s'est transformée en une réflexion après coup pour Adkins et ses collègues Melissa Gutierrez (BS '19), Pierre Forin et Troy Gunderson, dont l'excitation était palpable. "Tant qu'il n'y a pas de foudre", a noté Adkins.

Les membres de l'équipe Calcarea Jess Adkins, Pierre Forin et Melissa Gutierrez (BS '19) attendent la livraison de leur prototype sous la pluie. Avec l'aimable autorisation de A. Hartmann

Les efforts de capture et de stockage du carbone ont longtemps été centrés sur l'atmosphère terrestre, les entreprises éliminant le dioxyde de carbone de l'air et le stockant sous terre. Bien qu'efficace, le processus est énergivore et donc coûteux. Calcarea et une autre nouvelle start-up affiliée à Caltech, Captura, font partie d'une poignée d'entreprises qui adoptent une approche différente en se concentrant sur les océans.

L'élimination du carbone océanique est bénéfique pour la biosphère océanique, où l'augmentation des niveaux de dioxyde de carbone a détruit des pans entiers d'écosystèmes marins par l'acidification des océans, et améliore également la capacité naturelle de l'océan à extraire le dioxyde de carbone de l'atmosphère par des processus d'équilibre. Alors que Captura prévoit d'éliminer directement le carbone de l'océan, l'équipe de Calcarea vise à nettoyer les gaz de combustion directement des cargos pour stocker en toute sécurité et de manière permanente le dioxyde de carbone dans l'océan en imitant les processus naturels de la Terre pour faire réagir le dioxyde de carbone avec le calcaire pour produire des ions bicarbonate.

Après une démonstration d'un premier prototype en laboratoire, le réacteur à plus grande échelle de Calcarea a été fabriqué à Houston. Et donc, en ce jour pluvieux de janvier, l'équipe s'est réunie pour l'assembler et le tester dans un parking en plein air sans prétention au bord du campus de l'USC. Bien que l'équipe ait planifié la livraison des mois avant que des tempêtes ne soient prévues pour ce jour-là, le groupe était toujours déterminé à terminer le travail. Après une accalmie, Gunderson, un océanographe, s'est approché et a annoncé une mauvaise nouvelle : le dernier camion de la journée, transportant le berceau du réacteur lui-même, était tombé en panne. Adkins sourit et secoua la tête. "Bien sûr que c'était le cas", a-t-il déclaré.

Adkins, le PDG, n'avait jamais dirigé de start-up jusqu'à Calcarea, mais il s'est senti obligé de sauter le pas en raison de l'urgence pressante du changement climatique d'origine humaine et de ses conséquences. Au cours des 200 dernières années, les humains ont compris comment obtenir une énergie efficace et abondante en brûlant des hydrocarbures comme le pétrole et le gaz, permettant une transformation sociétale rapidement accélérée. Mais les conséquences de ces progrès - un réchauffement et des changements climatiques - ont coûté cher à notre planète et aux populations du monde entier, en particulier celles des communautés vulnérables, telles que les pays en développement.

L'activité humaine a, au total, émis 400 gigatonnes de dioxyde de carbone. Environ un tiers de celle-ci s'est déposée dans l'atmosphère, où elle emprisonne la chaleur et provoque le réchauffement climatique. Un autre tiers est occupé par la biosphère de surface : le sol, les roches et les plantes qui utilisent le dioxyde de carbone pour la photosynthèse. Le dernier tiers, quant à lui, plonge dans l'océan.

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Pour avoir une chance d'éviter des dommages catastrophiques à la santé humaine et à la planète, le Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat (GIEC) a déterminé que nous devons empêcher la planète de se réchauffer de plus de 1,5 degrés Celsius. Selon les modèles du GIEC, cela ne peut être accompli qu'en passant aux énergies renouvelables et en initiant des pratiques de capture et de stockage du carbone pour nettoyer le gâchis des émissions qui polluent la planète. Cette double approche est nécessaire car même si l'utilisation des énergies fossiles était supprimée demain, les 400 gigatonnes de dioxyde de carbone déjà rejetées doivent encore être traitées. Selon le GIEC, cela signifie supprimer 2 gigatonnes par an.

"Il ne suffit plus de décarboner l'économie en passant aux énergies renouvelables", déclare Adkins. "Nous aurions pu le faire si nous avions commencé plus tôt, mais nous ne l'avons pas fait, et maintenant nous devons éliminer le dioxyde de carbone de l'atmosphère, et nous devons également décarboniser l'économie."

Cette crise existentielle urgente, ainsi que les nouveaux financements disponibles pour la capture et l'élimination du carbone, ont motivé les chercheurs du monde entier à poursuivre de nouvelles idées audacieuses : certaines dans les parkings et les garages, et d'autres dans leurs propres maisons. Captura, l'autre nouvelle société issue de Caltech qui vise à décarboniser les océans, a testé ses premiers prototypes dans la piscine du co-fondateur Harry Atwater, président de la division d'ingénierie et de sciences appliquées de Caltech.

"Mon fils venait d'obtenir son diplôme universitaire et cherchait un projet de biochimie", explique Atwater. "Nous venions de recevoir un financement pour développer les premiers prototypes de notre technologie, alors je lui ai dit : 'Hé, pourquoi ne pas prendre quelques mois et s'amuser avec ça ? Nous allons l'installer dans la cour de natation piscine.'" Depuis ses origines, Captura a gagné des millions de dollars en financement et en prix pour faire de sa technologie une réalité.

L'étudiant diplômé de Caltech, Éowyn Lucas (MS '19), membre de l'équipe Captura, développe des matériaux qui captent le dioxyde de carbone directement de l'eau de l'océan. Avec l'aimable autorisation de Bob Paz

La principale cible des efforts de nettoyage de Calcarea est l'industrie du transport maritime. Alors que les voitures et les maisons peuvent souvent être facilement alimentées par de l'électricité éolienne et solaire propre, il n'existe aucune source efficace d'énergie renouvelable pour les cargos qui alimentent notre économie mondiale. Les cargos représentent 3 %, soit 1 gigatonne, des émissions mondiales de carbone par an. Concentrer les efforts sur le captage du carbone de ce secteur pourrait donc nous mettre à portée de supprimer les 2 gigatonnes par an exigées par les modèles du GIEC.

La technologie Calcarea s'inspire de processus naturels déjà en cours sur Terre. Sur de longues périodes, le dioxyde de carbone gazeux dans les océans réagit avec les coquilles de calcaire (CaCO3) sur le fond marin dans un processus appelé compensation de carbonate. La réaction transforme le dioxyde de carbone et produit des ions calcium et du bicarbonate. De cette façon, la nature équilibre naturellement ses niveaux de dioxyde de carbone. Si les humains devaient disparaître de la Terre demain, les niveaux de dioxyde de carbone dans l'atmosphère finiraient par se stabiliser à environ 280 parties par million par rapport à notre niveau actuel de 421 par million, bien qu'il faudrait des dizaines de milliers d'années pour le faire.

Pendant près d'une décennie avant de démarrer Calcarea, les chercheurs du laboratoire Adkins ont travaillé pour comprendre la cinétique de l'altération du calcaire avec la conviction que l'accélération de ce processus pourrait stimuler les processus naturels de séquestration du carbone de la planète. Bien qu'ils aient découvert une enzyme qui pourrait catalyser le processus en laboratoire, ils ont également réalisé qu'à des concentrations suffisamment élevées de dioxyde de carbone (5%), la réaction d'altération se produirait beaucoup plus rapidement. Les gaz de combustion des cargos s'avèrent atteindre cette barre, et les navires peuvent facilement transporter le calcaire nécessaire pour conduire la réaction, même sans le catalyseur.

Adkins a commencé à rassembler une équipe et à organiser un congé sabbatique de Caltech pour se concentrer sur la transformation de l'altération accélérée du calcaire en une technologie viable de capture du carbone qui pourrait être vendue à de grandes compagnies maritimes pour être installée sur leurs navires. Il a recruté l'ingénieur Forin, qui travaillait dans l'industrie du transport maritime vert en Norvège, et l'ancien étudiant de premier cycle de Caltech Gutierrez. Les trois d'entre eux ont ensuite créé Calcarea avec son co-fondateur, professeur à l'USC et biogéochimiste Will Berelson.

"Un aspect important de mon travail concerne la justice environnementale", explique Gutierrez, qui a mené des recherches dans le laboratoire d'Adkins tout au long de ses années de premier cycle à Caltech. "Nous voulons nous assurer que Calcarea établit des relations avec les communautés locales - comme les personnes qui vivent à proximité des ports où nous installons nos prototypes - et les groupes de politique environnementale pour garantir leur implication et leur adhésion à ce que nous faisons. "

L'équipe a conçu un réacteur chimique qui pourrait faire barboter les gaz d'échappement des cargos dans un réservoir rempli de calcaire et d'eau de mer qui coule, éliminant le dioxyde de carbone des émissions du navire et produisant de l'eau salée à sa place. La technologie de Calcarea devrait être capable d'éliminer jusqu'à 75 % du dioxyde de carbone des émissions d'un cargo donné.

"Pendant COVID, en travaillant seul à l'arrière de mon garage, je me suis mis à me demander quelle était la chose la plus importante sur laquelle je pouvais travailler en ce moment", se souvient Adkins. "Ne vous méprenez pas, les questions sur les cycles glaciaires, les coraux et le cycle du soufre me font encore lever le matin. Mais aucun d'entre eux n'est aussi important que la séquestration du dioxyde de carbone à grande échelle. Soit nous allons essayer de résoudre le problème ou nous ne le sommes pas."

En tant qu'électrochimiste, Harry Atwater de Captura aborde le problème de la capture du carbone sous un angle différent. L'entreprise utilise un procédé électrochimique pour filtrer l'eau de mer et éliminer le gaz carbonique. Bien que les paillasses du laboratoire Captura soient éloignées de l'océan, des motifs de sel cristallin laissés par l'eau de mer lors d'expériences peuvent être observés partout dans l'espace de travail de l'entreprise à Pasadena, laissant un rappel physique de l'objectif ultime de l'entreprise : déployer sa technologie en mer.

Lorsque le dioxyde de carbone est absorbé dans l'océan, il subit des réactions chimiques avec l'eau pour passer d'un gaz dissous à des sels ioniques, un processus qui se produit en raison du pH de l'eau de mer de 8,1. Une fois cette transformation effectuée, il devient plus difficile d'éliminer le carbone de l'eau. Il est beaucoup plus facile de retirer sa forme gazeuse.

La base du système Captura est de transformer le carbone de l'eau de mer, qui est sous forme de sels, en gaz carbonique, puis de séquestrer le gaz. Cela se fait en abaissant temporairement le pH d'un volume donné d'eau de mer. Le pH de l'eau de mer passe de 8,1 à 4, ce qui oblige le carbone à prendre la forme de dioxyde de carbone. Le gaz est ensuite extrait de l'eau et l'équipe rétablit le pH à un niveau légèrement plus basique de 8,2 avant de relâcher l'eau dans l'océan.

La modulation du pH est un composant essentiel du système Captura et repose sur une membrane bipolaire, une technologie qui divise l'eau de mer (H2O) en protons acidifiants (H+) et en hydroxyles « basifiants » (OH-). Chengxiang "CX" Xiang, professeur de recherche à Caltech et collaborateur de longue date d'Atwater, avait étudié comment développer des membranes bipolaires pendant des décennies. Lui et Atwater ont fondé Captura en 2021, chacun investissant son propre argent dans le projet, convaincu que cela fonctionnerait. Jusqu'à présent, leur investissement a porté ses fruits. Avec Xiang en tant que directeur de la technologie et Atwater en tant que directeur scientifique, Captura a récemment clôturé un cycle de financement de série A de 12 millions de dollars, faisant suite à un prix de 1 million de dollars en 2022 dans le cadre du concours XPRIZE Carbon Removal.

La poursuite du développement de la membrane bipolaire a été confiée à l'étudiant diplômé Eowyn Lucas. Alors qu'elle travaillait sur son doctorat, Lucas a créé une membrane bipolaire qui est plus efficace et plus puissante que toute autre actuellement en développement. Elle rejoindra l'équipe Captura à temps plein après avoir obtenu son diplôme de Caltech plus tard cette année.

"J'ai pu créer ces membranes en laboratoire, et maintenant je travaille à les développer et à les mettre en œuvre pour résoudre un problème réel très important", dit-elle. "J'ai envisagé d'autres voies possibles après mon doctorat, mais je devais juste mener à bien ce travail. Je suis excité mais nerveux - je n'ai jamais été à l'école."

Le coût majeur de la mise à l'échelle d'une telle technologie est l'apport d'énergie pour exécuter le processus. Le plan de Captura est d'installer ses systèmes dans des usines de dessalement pour partager leur infrastructure énergétique et, une fois que l'entreprise aura augmenté sa capacité, construire des plates-formes Captura autonomes. Actuellement, un petit prototype fonctionne au laboratoire marin Kerckhoff de Caltech à Newport Beach, où il élimine 1 tonne de dioxyde de carbone de l'eau de mer par an. L'équipe construit actuellement un système de kilotonnes qui aura la taille d'un conteneur de 40 pieds, dans le but de construire un système capable de séquestrer 1 million de tonnes de dioxyde de carbone chaque année.

Captura et Calcarea effectuent tous deux un contrôle de la qualité de leurs technologies et essaient de déterminer toutes les façons dont les choses pourraient mal tourner à mesure qu'ils développent leurs prototypes. Outre les défis technologiques, l'océan est un écosystème biogéochimique complexe et interconnecté, et de nombreux scientifiques hésitent à manipuler l'environnement dans le but ciblé de compenser les effets du changement climatique par souci de ses effets secondaires imprévus potentiels. Les questions ouvertes pour les deux équipes sont de savoir comment leurs systèmes évoluent du banc de laboratoire à l'océan, et comment l'écosystème de surface de l'océan pourrait être perturbé par les sous-produits des systèmes Calcarea et Captura.

Adkins pense cependant que le bien potentiel l'emporte de loin sur le mal. "Nous perturbons déjà la planète en déversant des émissions de carbone dans la biosphère, et nous en voyons les effets en ce moment", dit-il. "L'altération accélérée du calcaire imite simplement ce que l'environnement fait déjà pour équilibrer son budget carbone."

De gauche à droite : Cory Atwater de Captura, CX Xiang, Ibadillah Digdaya et Harry Atwater devant le système de pilotage de la société à Newport Beach. Avec l'aimable autorisation de XC Xiang

Pour les entrepreneurs qui tentent de sauver la planète, il y a des milliards de dollars de financement gouvernemental pour des projets comme ceux-ci, et l'industrie reconnaît également l'importance de lutter contre le changement climatique. La loi sur la réduction de l'inflation adoptée par le gouvernement fédéral en 2022 alloue 370 milliards de dollars à une myriade de projets liés au développement durable, tels que la décarbonation des transports en commun, la fabrication plus propre et le financement de projets de justice climatique pour les communautés mal desservies.

"L'élimination du carbone est une technologie qui implique un déploiement important de capital et d'énergie à grande échelle", déclare Atwater. "Dans 30 ou 40 ans, une énorme quantité d'infrastructures dans le monde sera consacrée à l'élimination du dioxyde de carbone. Les gouvernements ont ouvert la voie en matière de politique mais, dernièrement, les dirigeants de l'industrie ont reconnu que pour maintenir leur clientèle , ils doivent s'engager à une décarbonation totale de leurs opérations dans les décennies à venir. C'est un changement vraiment transformateur.

De nombreuses entreprises privées reconnaissent la nécessité de lutter contre le changement climatique en éliminant le carbone et en réduisant leurs propres émissions. Par exemple, Microsoft s'est engagé à séquestrer la même quantité de carbone qu'il a émise depuis sa création en 1975. Avec ces objectifs ambitieux, des partenariats sont nécessaires entre les pollueurs industriels et les entreprises d'élimination du carbone telles que Captura et Calcarea.

Les secteurs public et privé financent et facilitent ces partenariats, donnant à ces start-ups l'accès à un flux de revenus et à la rentabilité. Captura, par exemple, a récemment reçu une promesse de don de 500 000 $ du marché privé du carbone Frontier, qui agit comme un courtier entre les entreprises du Fortune 500 qui tentent de décarboner et les entreprises qui les aideront à le faire. Simultanément, le gouvernement américain a mis à jour un ancien programme de crédit d'impôt appelé 45Q pour fournir des paiements directs aux entreprises en échange de chaque tonne de dioxyde de carbone séquestrée.

L'un des principaux avantages des solutions de captage du carbone proposées par Captura et Calcarea est qu'elles sont rentables. Alors que les leaders actuels de la capture du carbone atmosphérique peuvent séquestrer le dioxyde de carbone pour environ 1 000 dollars la tonne, Calcarea peut le faire pour 76 dollars la tonne, tandis que Captura vise à le faire pour 65 dollars la tonne.

"En fin de compte, ce que nous essayons de faire ne fonctionne que lorsqu'il existe un bilan économique", déclare Adkins. "Les lois environnementales et les politiques gouvernementales peuvent vraiment faire une grande différence dans la santé planétaire."

En plus de l'opportunité du problème, l'infusion de nouvelles sources de financement pousse de nombreux chercheurs à se lancer dans le domaine de la capture du carbone. De nouveaux efforts sont actuellement en cours pour cultiver du varech et des algues, modifier la circulation océanique et améliorer l'alcalinité de l'océan. Les équipes de Caltech disent saluer cette compétition et cette créativité.

"Nous avons besoin d'une diversité de tactiques pour relever l'immense défi qu'est le changement climatique", a déclaré Lucas. "Nous essayons tous d'obtenir des subventions et d'attirer les meilleurs scientifiques, mais nous nous encourageons tous les uns les autres."

Adkins ajoute que le problème est trop important pour ne pas avoir autant de personnes que possible qui y travaillent. "Mon approche est éclairée par mes origines en tant que scientifique étudiant l'océanographie et les paléoclimats. Harry vient de sa formation en électrochimie. Il y a beaucoup de carbone à séquestrer, donc tout est sur le pont. Beau temps, mauvais temps."

Jess Adkins est professeur de la famille Smits en géochimie et en sciences de l'environnement mondial. Il est PDG de Calcarea.

Harry Atwater est titulaire de la chaire Otis Booth Leadership de la division d'ingénierie et de sciences appliquées de Caltech, professeur Howard Hughes de physique appliquée et de science des matériaux, et directeur de la Liquid Sunlight Alliance. Atwater est le co-fondateur de Captura et occupe le poste de directeur scientifique.