有一种无色、无味且基本无害的气体，人类却总是嫌不够。我们每年产生40万亿千克二氧化碳，照此趋势，我们将突破一个关键排放阈值，导致全球气温升幅超过《巴黎气候协定》设定的危险的2°C上限。
然而，气候科学家已经在低声讨论一种可能将我们从悬崖边拉回来的技术。这项技术称为直接空气捕集，其原理是利用像树木一样运作的机器，从空气中吸收二氧化碳（CO2），但效果要强得多——在相同时间内捕集的碳多出数千倍，并有望确保我们免遭气候灾难。
迄今为止，至少有两个原因让有关直接空气捕集的讨论声量不大。首先，气候科学家曾希望全球碳排放能够得到控制，这样我们就不需要直接空气捕集。但大多数专家认为，为时已晚。这就引出了第二个问题：迄今为止，所有估算都表明，部署直接空气捕集的成本将高得惊人。
过去十年来，一群企业家一直在努力证明这些估算有误，他们的项目部分由微软的比尔·盖茨、华纳音乐的埃德加·布朗夫曼二世以及已故的 Land’s End 创始人加里·科默等亿万富翁资助。三家公司——瑞士的 Climeworks、加拿大的 Carbon Engineering 和美国的 Global Thermostat——正在研发机器，力求以合理成本直接从空气中捕集 CO2。（第四家公司 Kilimanjaro Energy 因资金短缺而停业。）
过去一年，我一直在关注碳捕集与封存这一更广泛的领域，该领域旨在捕集发电厂和化工厂等排放源产生的排放。业内专家把这些从事直接空气捕集的企业家视为班里的叛逆孩子。一位专家告诉我，这些公司没有从容易实现的目标着手，而是在追求登月式的宏大目标——并让自己走向失败。
Climeworks 刚刚证明了怀疑者错了。10月11日，这家初创企业在冰岛一座地热发电厂启用了首个直接空气捕集系统，并经验证实现了碳负排放。尽管它仍处于试点规模——每年仅从空气中捕集50公吨 CO2，约相当于一个美国家庭或10个印度家庭的排放量——但这是首个将排放转化为石头的系统，从而确保这些排放在未来数百万年里不会重新逸入大气。
挑战物理定律？
简单的物理原理可以说明直接空气捕集为何看似不可能。想象一下，你可以随心所欲地吃 M&M’s 巧克力豆——但只能吃红色的。如果一袋 M&M’s 中每10颗糖就有1颗红色，找到它们并开心地吃掉并不难。但想象一下，如果比例降到每2500颗才有1颗。你可能连找一颗 M&M’s 都懒得找了。
在燃煤电厂，排出的烟道气体约含10%的二氧化碳（也就是说，每10个气体分子中约有1个是 CO2）。与从空气中捕集相比，从这种浓度相对较高的气体中捕集温室气体所需能量较少；空气中的 CO2 浓度仅为0.04%（约每2500个气体分子中有1个）。一份2011年的报告由美国物理学会发布，估算从空气中捕集 CO2 的成本可能为每公吨600至1000美元。在排放源头捕集——例如在燃煤电厂——成本可能不到这一金额的十分之一。
但空气捕集仍然重要。首先，目前我们没有任何可行办法处理汽车、船舶和飞机排放的 CO2。其次，由于照此趋势，我们排放的 CO2 将超过保持在2°C上限以内所允许的量，因此我们可能需要一种方法，吸收其中一部分额外的温室气体。
看看下方图表。它展示了历史排放量，并预测了实现气候目标所需的排放目标。然而令人遗憾的是，《巴黎气候协定》下作出的“近似排放承诺”显示，我们的排放量仍在增加，而实际上应当减少（按照图表中红色曲线所示的趋势）。
大多数 CO2 捕集系统依赖一种称为“可逆吸收”的过程。其原理是让混合气体（空气是典型例子）流过一种能够选择性吸收 CO2 的材料。随后，通过另一个过程处理这种材料，将 CO2 从中提取出来。分离出的 CO2 随后可以压缩并注入地下。通常，吸收材料的供应量有限，因此它会再次经过这一循环，以捕集更多温室气体。
Climeworks 和 Global Thermostat 已试点各自的系统，分别在塑料和陶瓷表面涂覆胺类物质，这是一种能够吸收 CO2 的化学物质。Carbon Engineering 使用液体系统，以氧化钙和水为材料。这些公司表示，目前这些技术尚处于开发早期，无法预测规模化后的成本。Carbon Engineering 的大卫·基思说：“这就像在1960年问别人，如今商业火箭的成本会是多少。”他们愿意透露的是成本目标。
Climeworks 总监扬·武尔茨巴赫表示，公司希望将成本降至每公吨二氧化碳约100美元。据该公司业务发展经理杰弗里·霍姆斯介绍，这与 Carbon Engineering 的目标价格相近。Global Thermostat 联合创始人彼得·艾森伯格表示，他们的技术成本还会更低：他称，规模化后，成本将降至每公吨50美元。颇耐人寻味的是，这家初创企业预计的捕集成本似乎与各公司所称的融资额成反比：Climeworks 和 Carbon Engineering 各获约1500万美元私人投资，而 Global Thermostat 获得了5000万美元。
每家初创企业都建成了可运行的试验工厂，以验证其技术，捕集能力达数百千克 CO2。它们还都声称技术具有模块化特点，意味着只要有人愿意出资，它们就能建造规模任意大小的直接空气捕集工厂。即使按每公吨排放捕集成本50美元计算，如果到2050年我们必须捕集多达100亿公吨，就意味着每年要花费5000亿美元从空气中捕集二氧化碳。这听起来令人难以置信，但如果考虑到气候变化造成的其他损害，并权衡其影响，这笔费用或许就没那么离谱了——这些初创企业正是押注于此。
我去帕洛阿尔托的斯坦福研究院参观时，Global Thermostat 的试验工厂正闲置着。Carbon Engineering 正等待进一步完善技术——包括将捕集到的 CO2 转化为燃料的能力——之后才会开始扩大业务规模。只有 Climeworks 已在商业应用中取得成功。
今年5月，Climeworks 在瑞士苏黎世附近建成了首个商业装置，每年从空气中捕集约1000公吨 CO2（相当于20个美国家庭的年排放量）。捕集到的 CO2 被输送到附近的一座温室，高浓度的这种气体使作物产量提高了20%。
但该公司在冰岛最新建成的装置更令人瞩目，因为它是首座真正的“负排放”工厂。
彻底封存于地下
要建成这座工厂，Climeworks 首先需要一座“碳中和”发电厂。他们在冰岛赫利舍迪找到了合适的场址，当地公用事业公司 Reykjavik Energy 运营着一座地热发电厂。赫利舍迪电厂位于首都雷克雅未克东南约15英里（25公里）处，通过管道网络将水泵入地下，利用火山活动区自然产生的热量发电并供热。水在地下流动时升温并转化为蒸汽，可用于驱动涡轮机。该电厂可产生约300兆瓦电力（足以供20万户美国家庭使用）和约130兆瓦热能。
虽然地热是清洁能源，但提取热量的过程会释放气体——二氧化碳、硫化氢和氢气的混合物。CO2 排放量并不大——每产生一个单位的能源，地热电厂的碳排放量仅为燃煤电厂的3%——但仍然存在排放。
2014年，Reykjavik Energy 在美国、欧洲和冰岛学者的协助下成立了一个名为 CarbFix 的项目，以测试清除其产生的少量气体的技术。自《巴黎气候协定》达成以来，这家公用事业公司也加大了减排力度，帮助冰岛实现全国目标。
CarbFix 没有采用可逆吸收，而是利用冰岛丰富的自然资源捕集二氧化碳。每次打开一罐汽水，你喝下的都是溶解在水中的 CO2。赫利舍迪电厂采用的原理类似。地热泉排出的气体与水混合时，会有少量气体被吸收。随后，这种混合物——每千克 CO2 配27千克淡水——被注入地下700米处。
在一项2016年的研究中，科学家发现，这些水混合物中的二氧化碳会与冰岛广泛分布的玄武岩发生反应，形成矿物。玄武岩是一种深色火成岩，通常见于海床之下。这个过程通常需要数百年或数千年，但令人惊讶的是，在冰岛，矿化不到两年就发生了。其速度可能与当地独特的地质条件有关。在二氧化碳注入系统研究中，砂岩含水层是研究最充分的岩石系统之一，但它与 CO2 的反应非常缓慢。相比之下，玄武岩似乎反应快得多，可能是因为其中含有铁和铝等金属。
这项研究首次表明，二氧化碳地下封存比人们所描述的更容易、更安全。一旦被锁定在矿物中，二氧化碳数百万年都不会进入大气。更重要的是，这类玄武岩在世界各地都有大面积分布，足以吸纳数十年的化石燃料排放、直接空气捕集的二氧化碳等。
CarbFix 地质学家埃达·阿拉多蒂尔表示，过去三年里，该项目已向地下注入超过1.8万公吨 CO2。此外，他们做到这一点的成本低于每公吨 CO2 30美元。
拯救世界的技术
本月，Climeworks 安装了一台装置，直接从空气中捕集二氧化碳，并将其输送给 CarbFix 注入地下。CarbFix 过去三年来一直监测注入地点，因此能够确保不会发生泄漏。一旦矿化，CO2 就会被封存数千年乃至数百万年。这使 Climeworks 与 CarbFix 的系统成为全球首座经验证的“负排放”工厂。
（一家位于芝加哥的化工厂声称自己是一座负排放工厂。Archer Daniels Midland 在该厂将玉米发酵生产乙醇。公司表示，玉米生长时会吸收 CO2，因此尽管发酵过程会释放 CO2，整体上仍是碳中和——只是把从自然界吸收的碳还回去。如果再捕集这些排放并注入地下，从技术上说就可以视为负排放。但专家尚未进行核算，无法验证 Archer Daniels Midland 的这一说法。）
Climeworks 表示，目前正在寻找客户，让他们通过付费参与减排计划。以快递公司 DHL 为例，该公司承诺到2050年实现零排放。但即使他们将整个公路车辆车队都换成电动汽车，目前仍没有技术能够削减 DHL 所依赖的飞机排放。希望 DHL 能向 Climeworks 付费，将这些多余排放封存到地下。
学者过去认为，直接空气捕集成本太高，无法用于任何实际用途。对于更广泛的碳捕集与封存领域，他们现在仍往往持这种看法。但 Climeworks 及其竞争对手正在展示：如果直接空气捕集的成本足够低，能够吸引商业投资，那么从固定排放源捕集碳的经济性很可能也能成立。即便没有其他作用，直接空气捕集的存在也为人类提供了一份高额保费的保险，以抵御一场必定代价高得多的灾难。
