See blogipostitus uurib atmosfääri CO₂ kiire kasvu ja süveneva kliimakriisi põhjuseid, uurides nii kunstliku fotosünteesi potentsiaali kui ka piiranguid kui uut tähelepanu pälvivat lahendust.
CO₂ on aine, mis esimesena pähe tuleb, kui mõtleme keskkonnaprobleemidele nagu kliimamuutused ja globaalne soojenemine. On lihtne ekslikult pidada CO₂-d „aineks, mis tuleb kõrvaldada“, aga täpsemalt öeldes ei ole see midagi, mis „peab kaduma“, vaid pigem aine, mida „tuleb vähendada sobiva tasemeni“. Tegelikult sai fotosüntees võimalikuks just seetõttu, et süsinikdioksiid eksisteerib. Tänu sellele kohanesid taimed Maa keskkonnaga, võimaldades organismidel jätkata oma normaalset evolutsiooni hapnikuhingamisel. Idee muuta organismide poolt eralduv süsinikdioksiid tagasi toitaineteks on tõeliselt geniaalne ja Maa ökosüsteem on selle tsüklilise struktuuri kaudu säilinud üle miljardi aasta. Kuid „liigne“ süsinikdioksiid, mida inimkond hakkas oma arengu ja tööstustegevuse plahvatusliku kasvu käigus eraldama, on hakanud ökosüsteemi tasakaalu häirima ja selle kogus on nüüdseks suurenenud tasemeni, mida on raske ignoreerida.
Olen pööranud tähelepanu atmosfääri CO₂ kontsentratsiooni tõsidusele, mis on olnud ülemaailmse arutelu keskmes alates 20. sajandi teisest poolest. Maa neelab ja kiirgab loomulikult päikesekiirgust, et säilitada oma keskmist temperatuuri. Nähtust, kus CO₂ neelab kiiratud kiirgust, püüdes kinni soojust ja takistades selle pääsemist kosmosesse, nimetatakse kasvuhooneefektiks. Seda peetakse nüüdseks hiljutiste kliimamuutuste peamiseks põhjustajaks. USA Riikliku Ookeani- ja Atmosfääriameti (NOAA) ja Scrippsi Okeanograafiainstituudi andmetel on atmosfääri CO₂ kontsentratsioon viimase 800 000 aasta jooksul püsinud tasakaalus 170 ja 280 miljondikosa (ppm) vahel. Pärast industrialiseerimist suurenesid need aga järsult, ulatudes esimese registreeritud mõõtmise käigus 1958. aastal 315 ppm-ni ja ületades 2013. aastal 400 ppm-i. Kasvutempo on sellest ajast alates kiirenenud, atmosfääri CO₂ kontsentratsioon ulatudes 2024. aastaks ligikaudu 421 ppm-ni (Mauna Loa standard). See on ligikaudu 33% tõus võrreldes 1960. aastatega. Samal perioodil on globaalne keskmine temperatuur tõusnud umbes 1.2 °C võrreldes industriaalühiskonna eelse tasemega (IPCC AR6, 2023. aasta lisaaruanne), põhjustades olulisi muutusi kogu planeedil.
Selle olukorra algpõhjus peitub tööstusrevolutsioonis, mis algas 18. sajandi keskpaiga Suurbritannias ja pani aluse fossiilkütuste laiaulatuslikule kasutamisele. Sellele aitas oluliselt kaasa ka riikide valimatu metsaraie üle maailma. FAO 2020. aasta ülemaailmse metsaressursside hindamise ja 2023. aasta ülemaailmse metsavaatluse andmetel on maailm alates 1990. aastast kaotanud keskmiselt umbes 10 miljonit hektarit metsa aastas, kusjuures kumulatiivne kadu ületab kaugelt 100 miljonit hektarit. See kujutab endast palju tõsisemat pikaajalist langust kui algtekstis mainitud 13 miljonit hektarit aastate 1990–2010 kohta. Selle tõsise metsakadu peamine põhjus on vastav CO₂ neeldumise võime vähenemine. Lõuna-Korea metsandusstandardite põhjal eeldab lihtne arvutus, et iga hektar neelab aastas umbes 9 tonni CO₂. See tähendab, et kümnete miljonite tonnide CO₂ töötlemise kulud on hinnanguliselt astronoomilised. Eeldades, et ühe tonni CO₂ säilitamine või muundamine maksab umbes 20 dollarit, tõuseb metsade kadumisest tulenev kumulatiivne globaalne maksumus astronoomiliste numbriteni.
Lisaks ei saa metsad CO₂-d koheselt töödelda ainult puude istutamisega. Olenemata sellest, kui põhjalik metsamajandamiskava on, kulub puudel vähemalt 30 aastat, et nad kasvaksid piisavalt, et absorbeerida vajalikku CO₂ taset. Algtekstis mainitud keskmine CO₂ töötlemisvõimsus (põhineb 60-aastastel puudel) on tänapäevalgi kehtiv. Piirkondlike muutujate, nagu mulla kvaliteet, sademete hulk ja päikesevalguse käes viibimine, arvessevõtmine muudab CO₂ probleemi lahendamise ainuüksi looduslike metsade abil praktiliselt võimatuks.
Olukorda süvendab veelgi männi närbumistõbi, mille levik on kliimamuutuste tõttu kiirenenud. Esmakordselt teatati sellest haigusest Koreas 1988. aastal ja see on pidevalt levinud. See haigus, mille põhjustavad männi saemardikal parasiteerivad nematoodid, kes kuivatavad puid neid hävitades, on siiani täielikult ravimatu. Korea metsateenistuse 2024. aasta statistika kohaselt on männi närbumistõbest mõjutatud ala viimasel ajal pidevalt laienenud, kusjuures suremus on väga kõrge, mis annab haigusele hüüdnimeks "männi ja Korea männi AIDS". Eriti temperatuuri tõustes kiireneb männi närbumistõbe levik, mistõttu on väga tõenäoline, et see põhjustab lisaks globaalsetele kliimamuutustele suuremat kahju. Jaapanis on haigus pärast selle sissetoomist 1905. aastal levinud üle 100 aasta, ähvardades nüüd männi ökosüsteemi kokkuvarisemist. Samamoodi koosneb Lõuna-Koreas umbes 40% 6.34 miljonist hektarist metsast okaspuud, mis seab riigi märkimisväärsesse ohtu. Kui enamik okaspuid nakatub ja sureb männi närbumistõbe, nõrgeneb süsiniku neeldumise baas, mis suurendab oluliselt riigi haavatavust kliimamuutuste suhtes.
Sellise globaalse katastroofi ärahoidmiseks on üks mitmesuguste ideede hulgas „kunstlik fotosüntees“. „Kunstliku fotosünteesi“ kontseptsiooni mainis esmakordselt 1912. aastal Itaalia fotokeemik dr Giacomo Cacciamani ajakirjas „Science“ ja selle realiseeris esmakordselt eksperimentaalselt 1972. aastal Tokyo Ülikooli professor Akira Fujimara. Sellest ajast alates on tehnoloogia areng kogu maailmas teadusasutustes kiiresti edenenud. Koreas töötas professor Chan-Beom Parki meeskond Korea Teadus- ja Tehnoloogiainstituudis (KIST) edukalt välja tehnoloogia, mis ühendab päikesepatareide tehnoloogia redoksensüümidega, et jäljendada loodusliku fotosünteesi valguse ja pimeduse reaktsioone. Erinevalt looduslikust fotosünteesist, mis toodab glükoosi, saab kunstlik fotosüntees muuta CO₂ erinevateks kütusteks ja polümeermaterjalideks, nagu metaan ja ammoniaak, olenevalt reaktsioonitingimustest. Selle CO₂ kasutamise potentsiaal on erakordselt lai, mistõttu on see olulise tähelepanu all.
Üks kunstliku fotosünteesi suurimaid eeliseid on selle lai rakendusala. Kui looduslik fotosüntees vajab viljakat mulda, vett ja päikesevalgust, siis kunstlik fotosüntees asendab valgusreaktsiooni päikesepatareidega ja rakendab pimedusreaktsiooni katalüsaatorite abil. See võimaldab fotosünteesi isegi karmides keskkondades, näiteks kõrbetes. Seda ei piira mullastikutingimused ja seda saab paigaldada linnahoonete välisfassaadidele või suurtele rajatistele, suurendades dramaatiliselt ruumi kasutamist. See on tõeliselt „imeline“ tehnoloogia, kuna sellest võib saada uus platvorm CO₂ muundamiseks isegi linnakeskkonnas.
Siiani on inimkond olnud hapniku täiendamiseks ja CO₂ neeldamiseks täiesti sõltuv looduslikust fotosünteesist. Looduslike metsade hooldamise ja majandamise kulud on aga äärmiselt kõrged; ainuüksi metsateenistus kulutab erametsade ostmiseks kümneid miljoneid vonne hektari kohta. Iga-aastaselt kasvavad majandamiskulud on nii suured, et neid on raske hinnata. „Kunstlikul fotosünteesil“ on märkimisväärne potentsiaal tehnoloogiana, mis suudab seda koormust oluliselt vähendada. Ennekõike on selle väärtus tohutu tänu võimele atmosfääri CO₂ kontsentratsiooni dramaatiliselt vähendada.
Olemasolevad CO₂ muundamise tehnoloogiad hõlmavad peamiselt keemilist ja bioloogilist muundamist, millest enimkasutatav on CO₂ muundamine ehitusmaterjalideks. Lõuna-Koreas on Daewoo E&C leidnud tehnoloogia tsemendi osaliseks asendamiseks ning selle stabiilsus on samuti tõestatud. Sellel tehnoloogial on aga ka oluline piirang, et ehitusmaterjalid võivad äraviskamisel muutuda saasteallikaks. Mikrovetikate fotosünteesi kiirus on 2.3 korda kiirem kui suhkrurool ja 15 korda kiirem kui männipuudel, kuid selle puuduseks on spetsiaalsete kasvatusrajatiste vajadus.
Seevastu võimaldab kunstlik fotosüntees CO₂ muundamist isegi väljaspool metsaalasid, eeldusel, et on olemas vaid ensüümid, vesi ja teatud valguse taset tagavad vahendid. Kunstlik fotosüntees toodab lisaks hapnikule ka mitmesuguseid säilitatavaid ühendeid, nagu vesinik ja metanool. See suudab muuta 1-2 süsinikuaatomiga aineid, nagu süsinikmonooksiid, etanool ja sipelghape, mitmesugusteks ühenditeks, muutes selle väga kasulikuks fossiilkütuste asendamiseks ja CO₂ tsükli struktuuri loomiseks. Märkimisväärselt näitavad hiljutised uuringud, et kunstliku fotosünteesi efektiivsus kasvab kiiresti. Erinevalt eelnevalt mainitud efektiivsustasemetest (0.1–4%) saavutasid mitmed uurimisrühmad aastatel 2022–2024 efektiivsuse üle 10%, kusjuures mõned eksperimentaalsed keskkonnad teatasid kuni 17%. See kujutab endast märkimisväärset edasiminekut kommertsialiseerimise suunas ja arendustempo on järsk.
Loomulikult on viimane ületamist vajav takistus katalüsaator. KIST-is väljatöötamisel olev hõbe-süsinik katalüsaator on tipptasemel materjal, kuid selle efektiivsus on madalam kui eksperimentaalsetel kuldkatalüsaatoritel. Lisaks on vaja veel täiustada katalüsaatori tootmismahtu ja stabiilsust. Siiski edeneb kiiresti hiljutine uuring erinevate niklil, koobaltil ja vasel põhinevate siirdemetallkatalüsaatorite, aga ka nitriidkomplekside kohta. Katalüsaatori tehnoloogia areneb samuti suunas, mis on oluliselt ökonoomsem ja tõhusam kui varem. Kuigi see on alles varajases kasutuselevõtu faasis, arvestades teaduse praegust tempot ja selle potentsiaali, on kunstliku fotosünteesi tulevane positiivne mõju loodusele nii märkimisväärne, et seda on raske ennustada. Loodusliku fotosünteesi efektiivsus on vaid 0.2%, see on kahjurite ja haiguste suhtes haavatav ning nõuab nõudlikke tingimusi. Kui kunstlik fotosüntees aga kommertsialiseerub, võimaldavad selle eelised – sealhulgas üle 10% kõrge efektiivsus ja ruumiliste piirangute puudumine – sellel mängida olulist rolli atmosfääri CO₂ probleemi lahendamisel. See võiks saavutada sama neeldumisefekti, kasutades ala, mis on vaid 1/50 Amazonase vihmametsa suurusest. Tõhusust saaks maksimeerida õhupallide paigutamisega kõrbepiirkondadesse või õhukese osoonikihiga aladele, et teostada sihipärast fotosünteesi.
Igal aastal korduvad kuumalained ja rekordilised põuad näitavad selle probleemi lahendamise pakilist vajadust. 2015. aasta novembris tõusis globaalne keskmine temperatuur täpselt 1 °C võrra võrreldes industriaalühiskonna eelse tasemega ja 2016. aasta augustiks oli see vaid ühe kuuga tõusnud veel 0.38 °C. Hiljutised uuringud hoiatavad, et Maa on industriaalühiskonna eelse tasemega võrreldes juba soojenenud üle 1.2 °C ja kui soojenemine jätkub praeguses tempos, ületab see suure tõenäosusega 2030. aastateks 1.5 °C läve. Uurimistulemused jäävad kehtima: 1 °C tõus globaalses keskmises temperatuuris seab kolmandiku kõigist liikidest väljasuremisohtu ja võib loodusõnnetuste tagajärjel hävitada 15% maailma metsadest. Vaatamata üle 7 miljardi elaniku, väheneb maailma metsaala pidevalt, majandamiskulud tõusevad ja CO₂ kontsentratsioon suureneb pidevalt. Arvestades igal aastal toimuvaid äärmuslikke ilmastikutingimusi ja loodusõnnetusi, pole tegelikult ühtegi selget lahendust peale CO₂ otsese eemaldamise või muundamise. CO₂ praktilisuse ja efektiivsuse seisukohast taaskasutamiseks võimelise voorusliku tsükli struktuuri loomiseks on „kunstlik fotosüntees” inimkonna jaoks selgelt asendamatu tehnoloogia.
Fotosüntees on esimene ellujäämistehnoloogia, mis on välja töötatud pärast elu tekkimist Maal. Fotosünteesi abil helendab planeet, mida kunagi peeti elamiskõlbmatuks, nüüd roheliselt. Selle tehnoloogia stabiilsus on piisavalt tõestatud; pole liialdus öelda, et ükski eluvorm ei saa ilma fotosünteesita ellu jääda. Ometi seisab see looduse poolt umbes 2 miljardi aasta jooksul üles ehitatud süsteem nüüd inimtegevuse tõttu kokku.
Väide, et pole veel liiga hilja, võib kõlada inimkonna vabandusena. Kuid selge on see, et pole mingit põhjust, miks asjad peaksid praegusest hullemaks minema. „Kunstlik fotosüntees” pole veel lõpule viidud, kuid arvestades, et Lõuna-Koreal on selles valdkonnas juhtpositsioon ning valitsus ja ühiskond tunnevad selle vastu püsivat huvi ja investeeringuid, on sellel potentsiaali olla Nobeli preemia vääriline. Nobeli preemiat ei anta ainult avastamata teooriate avastamise eest. Nagu näitas 2014. aasta juhtum, kus kolm Jaapani teadlast võitsid Nobeli füüsikapreemia galliumipõhiste siniste LED-ide väljatöötamise eest, võib inimelu otseselt mõjutavaid tehnoloogilisi uuendusi pidada piisavalt väärtuslikeks.
„Anna see neile, kes on inimkonna heaolule kõige konkreetsemalt kaasa aidanud.“
See on Nobeli tahe, kes kogus dünamiidi abil ülemaailmse rikkuse, ja Nobeli preemia põhiline vaim. Lootuses, et just selles valdkonnas antakse välja seni enneolematu Nobeli teaduspreemia, lõpetan selle artikli.
