Trasformare la CO2 in pietra, è il progetto più coraggioso mai intrapreso dall’uomo, contro il riscaldamento globale, ma come renderlo possibile? Le cime stanche e fatiscenti delle montagne di Al Hajar si stanno lentamente decomponendo come un pezzo di carne marcia. Sottili segni di decadimento sono ovunque. Il gas idrogeno infiammabile a volte bolle dalle acque sotterranee. L’acqua delle sorgenti naturali è spesso satura di minerali.
Quest’acqua lascia un tappeto di cristalli bianchi gelidi mentre scorre sul terreno. Solo pochi tipi di piante possono crescere in terreni così alieni. Qui, nella nazione desertica dell’Oman, a est dell’Arabia Saudita, le montagne comprendono minerali esotici che normalmente non esistono sulla superficie terrestre.
Si sono formati dozzine di chilometri più in basso, più in profondità di quanto gli umani abbiano mai scavato alla ricerca di petrolio o oro. Ora esposti all’aria e all’acqua sulla superficie terrestre, questi minerali si dimostrano chimicamente instabili.
Quando la pioggia cade, gocciola nelle fessure della roccia, trasportando i gas dall’aria. L’acqua ed i gas reagiscono con la roccia per formare nuovi minerali colorati. Queste vene frastagliate di pietra nera, bianca e blu-verde si spingono sempre più in profondità nel substrato roccioso.
Come dita lente ma potenti, i minerali allargano le fessure, facendo leva sulla roccia. Peter Kelemen crede che queste rocce in decomposizione potrebbero aiutare l’uomo a risolvere un problema importante: il cambiamento climatico.
Kelemen è un geologo presso il Lamont-Doherty Earth Observatory di Palisades, New York. Le vene di carbonato bianco, osserva, si sono formate come anidride carbonica (CO2) nell’acqua piovana si sono attaccate agli atomi di magnesio e calcio nelle rocce.
In altre parole, questi nuovi minerali intrappolano lo stesso gas che gli esseri umani rilasciano quando bruciano combustibili fossili. È lo stesso gas serra che riscalda il nostro pianeta.
Queste rocce insolite sono sparse in un’area dell’Oman delle dimensioni del Maryland. Stanno naturalmente pietrificando da 50.000 a 100.000 tonnellate di CO2 all’anno, secondo Kelemen. È poco rispetto ai 30 miliardi di tonnellate di CO2 che gli esseri umani rilasciano ogni anno.
Ma Kelemen e i suoi colleghi ritengono che queste rocce potrebbero un giorno solidificare fino a un miliardo di tonnellate di CO2 all’anno. Altre formazioni rocciose sparse per il mondo potrebbero catturare da 10 a 20 miliardi di tonnellate di CO2 ogni anno.
“Stai guardando qualcosa che potrebbe potenzialmente avere un impatto sul bilancio globale del carbonio umano”, mi ha detto un pomeriggio in Oman. Kelemen e il suo collaboratore, Juerg Matter, lavorano su questa idea da quasi 20 anni. Matter è un geochimico presso l’Università di Southampton in Inghilterra.
Quando li ho visitati in Oman nel 2018, il loro team era impegnato a scavare diversi buchi nella roccia. Avevano in programma di estrarre pietre da una profondità di 400 metri (1.300 piedi) sottoterra. Quei nuclei li aiuterebbero a comprendere meglio un processo naturale che sperano di accelerare.
CO2 ed altri gas serra
Rimuovere la CO2 dall’aria una volta sembrava stravagante. Negli ultimi 20 anni, tuttavia, ha acquisito slancio man mano che l’urgenza del cambiamento climatico è diventata più chiara.
Molti scienziati ora credono che le persone non ridurranno le emissioni di gas serra abbastanza rapidamente da impedire alla Terra di riscaldarsi di oltre 1,5 gradi Celsius. Si pensa che questo limite di riscaldamento eviterebbe gli effetti più pericolosi del cambiamento climatico.
Questi effetti includono l’innalzamento del livello del mare, la perdita della foresta pluviale amazzonica e frequenti tempeste catastrofiche.
Gli scienziati stanno ora suggerendo che le persone ricorrano a una strategia chiamata “emissioni negative”. Questi includerebbero vasti progetti per aspirare miliardi di tonnellate di CO2 dall’aria ogni anno. Avrebbero bisogno di usare molte tattiche, come ripiantare le foreste.
O fertilizzare l’oceano per stimolare la crescita del plancton fotosintetico. Le foreste e il plancton estrarrebbero naturalmente CO2 dall’aria. Diverse aziende stanno anche costruendo macchine di “cattura diretta dell’aria” per estrarre CO2 dall’aria. Il gas catturato potrebbe quindi essere pompato sottoterra.
Le compagnie energetiche hanno pompato piccole quantità di CO2 in giacimenti vuoti di petrolio e gas sin dagli anni ’80. Lì, il gas è intrappolato tra strati di rocce sedimentarie, come l’arenaria. Ma se il gas fuoriesce, potrebbe causare problemi, avverte Gregory Nemet. È uno scienziato dell’energia presso l’Università del Wisconsin-Madison.
“Non ci vuole molto”, dice. “Se si tratta di una perdita dell’uno o due percento, ciò mette davvero un buco nei nostri piani per stabilizzare il clima”.
Ma rocce diverse, come quelle dell’Oman, potrebbero intrappolare la CO2 in modo più permanente. Contengono alti livelli di silicati di calcio e magnesio. In questi minerali, gli atomi di calcio e magnesio sono legati a gruppi di atomi di ossigeno e silicio, chiamati silice.
Questi minerali, rari sulla superficie terrestre, sono abbondanti nelle rocce molto profonde sotto terra. Gli scienziati sospettavano che questi minerali avrebbero reagito con la CO2 e l’avrebbero bloccata in minerali di carbonato. Questa idea attirò Matter a farsi coinvolgere. Voleva provarlo.
Giù nella tana del coniglio
Matter aveva appena conseguito il dottorato di ricerca quando ha accettato un lavoro a Lamont-Doherty nel 2001. Il campus si trova in una foresta vicino a New York City. Gli edifici si ergono sopra scogliere che scendono per 100 metri nel fiume Hudson.
Quelle scogliere color cioccolato sono fatte di pietra conosciuta come basalto. Si è formato da lave eruttate milioni di anni fa dalle profondità della Terra. I basalti contengono silicati di calcio e magnesio. David Goldberg, il geofisico che ha assunto Matter, voleva che provasse a iniettarci CO2.
“Tutti pensavano che fossi pazzo, e persino stupido”, per aver provato questo, ricorda Matter. Altri scienziati avevano fatto esperimenti di laboratorio. I loro dati suggerivano che i minerali di carbonato avrebbero richiesto centinaia di anni per formarsi. Sarebbe troppo lento per attaccare la minaccia del cambiamento climatico di oggi.
Ma nel 2004 Matter e Goldberg ci hanno provato comunque. Hanno iniettato acqua a 230 metri in un pozzo perforato nel basalto. Quell’acqua conteneva alcuni chilogrammi di CO2. Quando Matter ha pompato l’acqua una settimana dopo, la CO2 era svanita. Questo gas forma un acido debole nell’acqua.
L’acido ha sciolto alcuni dei silicati di calcio e magnesio nelle rocce. Hanno reagito con il gas per formare carbonati. E questo stava accadendo da 300 a 3.000 volte più rapidamente rispetto ai test di laboratorio. Il team ha pubblicato i suoi risultati nel 2007.
“Ripensandoci, quello che abbiamo fatto è stato piuttosto rischioso”, afferma Matter. C’era una grande possibilità che non funzionasse. “Ci credevamo”, dice. E aggiunge: “Siamo stati davvero fortunati”.
Matter e molti altri scienziati sono poi andati alla ricerca di altri posti per trasformare la CO2 in pietra, e su scala molto più ampia. Nel 2012, hanno avuto la loro possibilità, 10.000 tonnellate all’anno.
L’Islanda è una nazione insulare nell’Oceano Atlantico settentrionale. Reykjavik Energy, lì, gestiva una centrale geotermica vicino a uno dei tanti vulcani del paese. L’azienda voleva smaltire la CO2. Il suo impianto generava elettricità sfruttando l’acqua calda che sgorgava dal sottosuolo.
I vulcani spesso emettono CO2. Quando l’acqua è emersa dal sottosuolo, ha anche rilasciato questo gas nell’aria. Ma c’era una soluzione ovvia. L’Islanda è fatta quasi interamente di basalto. L’iniezione di CO2 in quel basalto dovrebbe bloccarlo.
Nel 2012, i lavoratori hanno praticato un buco in un campo erboso vicino alla centrale elettrica e hanno iniettato acqua a 400 metri nel basalto sottostante. Quest’acqua conteneva sei volte più CO2 dell’acqua di seltz. Per evitare che sfrigolasse violentemente durante la fuoriuscita del gas, l’acqua doveva essere mantenuta ad alta pressione. Per diverse settimane, il team ha iniettato 71 tonnellate di CO2 nella roccia.
Nel frattempo, Sandra Snæbjörnsdóttir ha pompato acqua da un altro buco vicino. È una geologa che stava lavorando a questo progetto, noto come Carbfix. Ha scoperto che la CO2 stava scomparendo dall’acqua iniettata mentre filtrava attraverso le rocce. “In realtà è successo più velocemente di quanto avessimo osato sperare”, dice.
Una foto ravvicinata di un nucleo di roccia, che mostra minerali di carbonato di calcio bianco lungo un bordo diagonale al centro dell’immagine. Oltre il 95 percento della CO2 ha formato minerali, roccia solida, entro due anni. Il team ha praticato un nuovo foro e recuperato nuclei di pietra vicino al sito di iniezione.
I cilindri di basalto grigio-nero erano macchiati di bianco. Quelle macchie erano i minerali carbonatici formati dalla CO2 iniettata. Questi risultati sono apparsi su Science nel 2016.
Il progetto sta ora pietrificando 10.000 tonnellate di CO2 all’anno. E Carbfix è diventata una società separata, con piani per espandere le sue operazioni.
“Puoi effettivamente inserire un bel po’ di CO2 in queste rocce”, afferma Snæbjörnsdóttir, che ora lavora per la nuova società. Stima che un metro cubo di basalto (un blocco delle dimensioni di una lavastoviglie) può assorbire più di 100 chilogrammi di CO2. La roccia basaltica si trova anche sotto la maggior parte dei fondali marini del mondo.
Non tutta quella roccia è adatta per pietrificare la CO2. Ma in parte sembra esserlo. Snæbjörnsdóttir prevede che Carbfix alla fine proverà a iniettare CO2 in questi basalti oceanici al largo delle coste dell’Islanda. Matter ha supervisionato gli esperimenti iniziali di Carbfix. Ma anche prima di quelle prime iniezioni, stava già cercando più posti per solidificare la CO2.
Nel 2007, lui e Kelemen hanno iniziato a guardare le rocce in Oman. Queste rocce provengono dal mantello. Questo è lo strato intermedio del nostro pianeta. Gli umani non l’hanno mai visto direttamente. Il mantello inizia a circa 10 chilometri sotto il fondo del mare e raggiunge i 2.900 chilometri nella Terra.
Le rocce dell’Oman erano un minuscolo frammento di mantello che era stato spinto in superficie. È successo milioni di anni fa durante un raro sconvolgimento geologico.
Il mantello è fonte di lava e basalti. Le sue rocce contengono livelli ancora più elevati di silicati di calcio e magnesio rispetto ai basalti. Per questo motivo, Matter e Kelemen credevano che le rocce dell’Oman potessero essere in grado di intrappolare più CO2 per metro cubo rispetto alle rocce islandesi.
Le rocce del mantello sulla superficie delle montagne di Al Hajar sono attraversate da vene bianche di carbonato. Matter e Kelemen hanno usato la datazione al radiocarbonio per dimostrare che alcune di quelle vene avevano meno di 5.000 anni.
Ciò ha suggerito che queste rocce non avevano assorbito CO2 milioni di anni fa, ma lo stavano facendo proprio ora. Matter e Kelemen hanno pubblicato questi risultati nel 2008.
I due scienziati avevano ancora bisogno di saperne di più su ciò che stava accadendo sotto la superficie. Quindi, nel 2017 e nel 2018, loro e un ampio team di ricercatori hanno perforato diversi buchi in Oman per recuperare nuclei di pietra.
Ho trascorso una settimana con loro nel gennaio 2018 mentre perforavano in una valle remota, Wadi Lawayni. Vene colorate e roccia ribollente
In un tardo pomeriggio, diversi cammelli passarono oltre, masticando cespugli ispidi. Un motore diesel ruggiva. E un albero di perforazione di metallo, azionato da quel motore, ha girato diverse migliaia di volte al secondo mentre tagliava le rocce sotto i nostri piedi.
Di tanto in tanto, i lavoratori con gli elmetti facevano girare il motore al minimo fino a un basso ringhio. Quindi hanno sollevato il trapano dal foro, staccato un tubo di metallo e fatto scivolare fuori tre metri di roccia carotata.
I cilindri di pietra erano spessi come una mazza da baseball. Dopo averli disposti sui tavoli, Kelemen, Matter e molti altri scienziati li hanno esaminati. La pietra grigia era attraversata da minerali bianchi, neri, giallo-arancione e blu-verdi. Queste vene segnavano dove acqua e gas, filtrando attraverso le fessure, avevano reagito con la pietra.
L’ossigeno ha reagito con il ferro nella roccia, letteralmente “arrugginendolo”, per creare vene gialle e arancioni. Le vene nere, blu e verdi erano spesso un minerale chiamato serpentino. Si forma quando l’acqua reagisce con i silicati.
E le vene bianche erano solitamente minerali di carbonato, anche se non sempre. Ho visto Elisabetta Mariani eseguire un rapido test su una vena per identificare il minerale.
Mariani è un geologo presso l’Università di Liverpool in Inghilterra. Usando un accendino, tenne una fiamma contro la vena per diversi secondi. Poi, con una bottiglia di plastica in mano, ci ha spremuto sopra diverse gocce di acido. La parte riscaldata della vena sfrigolava come acqua di seltz per diversi secondi. Mentre reagiva con l’acido, la roccia rilasciava minuscole bolle di CO2.
“Questa è magnesite”, ha detto: carbonato di magnesio. Queste vene di carbonato erano abbondanti nei primi 15 metri del nucleo. Spesso erano spessi come un dito. Più in basso si diradavano e diventavano meno frequenti. Al di sotto dei 100 metri, non ce n’erano.
Ciò confermò ciò che Matter sospettava da tempo. “Tutta la CO2 viene mineralizzata nella parte molto superficiale”, afferma. Una volta che l’acqua piovana è penetrata, può trascorrere molti anni sottoterra. Ma tutta la sua CO2 viene consumata proprio all’inizio.
Matter e Kelemen ora pensano che il tasso di formazione del carbonato potrebbe essere aumentato, e di molto. Un giorno, immaginano che la CO2 venga pressurizzata nell’acqua a 125 volte la concentrazione naturale dell’acqua piovana (circa 6 volte quella dell’acqua di seltz). Questa miscela verrebbe quindi pompata a tre chilometri sottoterra. Le rocce sono vicine a 100°. Il calore e la pressione elevati accelereranno le reazioni chimiche che trasformano la CO2 in pietra.
Sono passati molti anni. I test dell’Oman sono in corso
Ma iniziarono i primi piccoli passi. Verso la fine del 2020 è stata costituita una società dell’Oman denominata 44.01. (Prende il nome dal peso medio di una molecola di CO2.) L’obiettivo dell’azienda è intrappolare la CO2 nelle rocce del mantello in Oman.
“Puntiamo a un gigatone”, ha detto Talal Hasan, poco dopo la formazione del 44.01. È il fondatore dell’azienda. Con “gigatone” intende un miliardo di tonnellate all’anno. Il primo test sul campo è stato, ovviamente, piuttosto piccolo. Lo scorso settembre, i lavoratori hanno iniettato circa 240 chilogrammi di CO2 in uno dei pozzi di Wadi Lawayni. Un mese dopo, Matter ha prelevato alcuni campioni d’acqua da un altro buco a pochi metri di distanza.
Matter sta ancora analizzando quell’acqua. Ma spera di trovare prove che la miscela di CO2 e acqua stia reagendo con la roccia. “Questo test serve solo a dimostrare su scala reale che la reazione è abbastanza veloce”, afferma. Successivamente, test più ampi vedranno se i carbonati di nuova formazione stanno facendo leva sulla roccia, come previsto. Sia Matter che Kelemen stanno fornendo consulenza scientifica all’azienda.
Ma il successo a lungo termine della loro visione dipenderà da qualcosa di più dei semplici risultati scientifici. Dipenderà anche dalle decisioni dei governi di tutto il mondo.
Il costo di trasformare la CO2 in pietra
Aziende come 44.01 e Carbfix possono trasformare la CO2 in pietra solo se qualcuno le pagherà per farlo. Prima che la CO2 possa essere iniettata nel sottosuolo, deve prima essere catturata dall’aria. E la tecnologia per catturare la CO2 non è economica. Tuttavia, Nemet prevede che il costo della cattura diretta dell’aria diminuirà nel tempo (come ha fatto per altre tecnologie, come l’energia eolica).
Anche se qualcuno è disposto a pagarlo, trasformare la CO2 in pietra richiederà molto lavoro. Aziende come Carbfix e 44.01 potrebbero impiegare 20 anni per arrivare a iniettare gigatonnellate di CO2 all’anno. E le operazioni necessarie per farlo saranno davvero enormi.
Kelemen stima che intrappolare un miliardo di tonnellate di CO2 all’anno in Oman potrebbe richiedere 5.000 pozzi di iniezione. Quei pozzi dovrebbero pompare nel terreno complessivamente 23 chilometri cubi d’acqua ogni anno. Ciò equivale a circa un quarto del flusso annuale del fiume Missouri. Poiché l’Oman è una nazione desertica, quest’acqua dovrebbe provenire dall’oceano.
Raccogliere un miliardo di tonnellate di CO2 all’anno dall’aria richiederebbe migliaia di macchine, ciascuna delle dimensioni di un camion. Insieme, potrebbero divorare fino a 1,3 trilioni di kilowattora di elettricità all’anno. È tre volte la quantità di elettricità consumata dall’intero stato del Texas. Per evitare di immettere più CO2 nell’aria, questa elettricità dovrebbe provenire da una fonte rinnovabile, come l’eolico o il solare, non da combustibili fossili.
Fortunatamente, l’Oman gode di un sacco di sole. Circa 600 chilometri quadrati di collettori solari potrebbero fornire l’elettricità necessaria. Si tratta di circa un cinquecentesimo della superficie terrestre dell’Oman. “Non è insormontabile”, dice Ajay Gambhir. “Ma è un po’ una sfida”, osserva questo economista energetico. Lavora all’Imperial College di Londra in Inghilterra.
Entro il 2050, le persone dovrebbero rimuovere fino a 20 miliardi di tonnellate di CO2 dal cielo ogni anno. Ciò richiederebbe 20 di queste massicce operazioni, o centinaia di quelle più piccole, che operano in tutto il mondo.
Gambhir vede queste tecnologie come un’importante “polizza assicurativa”. Per perfezionarli ci vorranno anni. Ma se arriviamo al 2040 e le emissioni di CO2 sono ancora elevate, a quel punto sarà troppo tardi per iniziare a lavorarci, dice. “Farlo ora è la cosa giusta da fare”.