刘竹:应对气候变化的负排放技术 | “35岁以下科技创新35人”中国榜单专栏

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刘竹:应对气候变化的负排放技术 | “35岁以下科技创新35人”中国榜单专栏
麻省理工科技评论 2020-02-18

2020-02-18

刘竹凭借其在水泥材料碳吸收领域取得的一系列成果,荣膺 2019 年《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人”中国区得主
技术 35岁以下科技创新35人
刘竹凭借其在水泥材料碳吸收领域取得的一系列成果,荣膺 2019 年《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人”中国区得主

2019 年 12 月 14 日,《麻省理工科技评论》公布了 2019 年“35 岁以下创新35 人”(Innovators Under 35 China)中国区榜单。在本届榜单上,虽然缺失了“创业家”的身影,但是我们看到了许多在具有产业化潜能的领域方面坚持科研使命的获奖人,也看到更多散布在海外顶尖学术机构的科学家们,用自身不改初心的坚持努力,取得了世界级标竿成就的科研成果,其中有超过半数以上的获奖者,都取得了世界级的突破性研究成果与发现。我们将陆续发出对 35 位获奖者的独家专访,介绍他们的科技创新成果与经验,以及他们对科技趋势的理解与判断。

关于 Innovators Under 35 China 榜单

自 1999 年起,《麻省理工科技评论》每年都会推出“35岁以下创新35人”(Innovators Under 35 China)榜单,旨在于全球范围内评选出被认为最有才华、最具创新精神,以及最有可能改变世界的 35 位年轻技术创新者或企业家,共分为发明家、创业家、远见者、人文关怀者及先锋者五类。2017 年,该榜单正式推出中国区评选,遴选中国籍的青年科技创新者。新一届 2020 年度榜单正在征集提名与报名,截止时间 2020 年 6 月 30 日。详情请见文末。

刘竹:应对气候变化的负排放技术 |“创新35人”中国榜单专栏

刘竹

人文关怀者

刘竹凭借其在水泥材料碳吸收领域取得的一系列成果,荣膺 2019 年《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人”中国区得主。

获奖时年龄:34 岁

获奖时职位:清华大学副教授获奖理由:他与研究团队开拓性地提出水泥材料的人为碳汇作用,提供了增强人为碳汇和负排放技术作为应对全球变化的解决方案。参与研究全球尺度碳循环定量并对其做出重要贡献。

虽然“节能减排”已经渗透到我们生活中的方方面面,但全球气候变化进程仍在继续,甚至加剧。据最新研究,2019 年全球温室气体排放量仍旧继续增长,据估计,我们需要在 2030 年将全球温室气体排放量减至目前的一半,才能让全球气候变暖趋势不至于达到不可逆转的地步。

“未来应对气候变化的长期方向,肯定需要用到所谓的‘负排放’技术,需要有办法把空气中的二氧化碳给吸收回去。“负排放”技术被列为被列为《麻省理工科技评论》2019 年全球十大突破性技术。”清华大学地球系统科学系副教授刘竹博士在接受《麻省理工科技评论》中国采访时,对应对全球气候变化提出了上述看法。

负排放技术在实现《巴黎协定》的目标中具有不可或缺的作用。在刘竹的一项研究中发现,一些我们日常生活中的常见材料就具有这样的“负排放”潜力。其中一直被人忽视的一种材料,就是水泥。据刘竹及团队的研究,1930 - 2013 年间,全球水泥材料碳吸收量达 165 亿吨二氧化碳,这表明在全球尺度上,水泥材料在其生命周期的风化过程中具有显著的碳吸收作用。

刘竹团队在核查地球系统碳收支的时候,发现可能有一部分吸收量被低估了。他们就去核算各种可能吸收的过程,发现水泥也许是一个比较重要的、以前没有考虑到的碳吸收过程。因为水泥材料中的碳酸氢盐,如碳酸氢钙和碳酸氢镁,它们的风化可以在一个长时间尺度上缓慢吸收二氧化碳。

基于这些想法,刘竹团队首次在全球尺度上核算了水泥材料生命周期的风化过程中的二氧化碳吸收量。据估计,目前而言,相较于水泥生产过程中排放的二氧化碳,水泥在 100 年周期内的吸收量可以达到其排放量的 40%。“假如我们能够想办法增加碳吸收量,水泥生产甚至可以变成一个零排放的过程。” 刘竹说。

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图 | 刘竹在颁奖典礼上做演讲(来源:DeepTech)

虽然实现“零排放”仍然任重道远,但其中一些增加碳吸收能力的思路已经出现,如增加水泥材料跟空气暴露的表面比。一个简单的方法是,在普通使用的水泥材料表面常涂有外漆,如果我们不使用这些外漆,水泥的碳吸收肯定会增加。另一个思路则是,如果我们能够在满足建筑材料的承重条件下,增大水泥的孔隙,也是可以增加碳吸收的。此外,如果能够很好地对建筑材料回收利用,将废置的水泥材料再利用,也是可以提高碳吸收量的。

刘竹的这项关于“水泥吸碳”的研究,在 2016 年以封面论文的形式发表在《自然·地球科学》(Nature Geoscience) 杂志上,刘竹是这篇文章的独立通讯作者。这篇论文提出的“人为源碳汇”的概念,被 Nature 论文列为 9 种主要的碳吸收手段之一。

刘竹表示,团队仍在寻找其他不同材料,特别是人类活动制造出的、具有吸收二氧化碳潜力的材料。近期团队有相关研究发现,用木材来替代水泥材料也可以实现固定二氧化碳。还有一些与水泥类似的人造碱性矿物,如高炉渣、石灰、粉尘灰,也可以通过碳化进行碳封存的,但或许碳吸收总量上没有水泥那么大。

此外,刘竹的研究还包括通过交叉学科技术完善全球碳循环中的一些数据缺口,提供更全面、更精确的全球碳数据。这些研究对可持续发展和生态建设等议题具有重要意义。刘竹希望在今后研究中,能够系统研究人类活动的碳吸收效应,把水泥材料的循环以及一些基础设施的循环都包括进去。

但想要真正将这些负排放技术广泛应用,仍需要进一步对技术进行改进和优化。虽然目前而言,水泥碳吸收的技术成本比较低,但是吸收速率比较慢,需要在 100 年左右的长时间尺度才能有明显的效果。如果排放政策要求 20 年就要见效果,甚至更短时间的话,目前该技术还无法实现。“此外,其他负排放技术也都主要受限于成本。因此如何大规模使用,我觉得还是需要探讨。”刘竹解释说。

但无论如何,新技术的出现,已给未来提供了更多前进的方向。同时这些新技术出现,本身也体现出在地球科学、物理、化学、生物这些传统科学领域之外新兴交叉学科的创新性进展。

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