Im Falle eines Klimanotfalls: Einsatz von Weltraumblasen, um die Sonne abzuschirmen

Von MIT, 16. Juli 2022

Wenn der Klimawandel bereits zu weit fortgeschritten ist, was könnten unsere Notlösungen sein? Bildnachweis: MIT

Eine interdisziplinäre Gruppe von Wissenschaftlern am Massachusetts Institute of Technology erforscht einen weltraumgestützten Sonnenschutz, um die auf die Erdoberfläche einfallende Strahlung zu reduzieren und so den Klimawandel zu bekämpfen.

Mit zunehmender Erdtemperatur wird die Frage nach der Reaktion der Menschheit auf den Klimawandel immer dringlicher: Sind unsere negativen Auswirkungen bereits zu weit gegangen? Ist es für uns zu spät, den angerichteten Schaden wiedergutzumachen?

A proposal currently being developed by a transdisciplinary team at the Massachusetts Institute of Technology (MITMIT is an acronym for the Massachusetts Institute of Technology. It is a prestigious private research university in Cambridge, Massachusetts that was founded in 1861. It is organized into five Schools: architecture and planning; engineering; humanities, arts, and social sciences; management; and science. MIT's impact includes many scientific breakthroughs and technological advances. Their stated goal is to make a better world through education, research, and innovation." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> MIT) schlägt einen Ansatz vor, der aktuelle Lösungen zur Eindämmung und Anpassung an den Klimawandel ergänzen würde. „Space Bubbles“, inspiriert von einer ursprünglich vom Astronomen Robert Angel vorgeschlagenen Idee, basiert auf dem Einsatz eines Floßes im Weltraum, das aus kleinen, aufblasbaren Blasen besteht, mit dem Ziel, die Erde vor einem kleinen Teil der Sonnenstrahlung zu schützen.

Geoengineering könnte unsere letzte und einzige Option sein. Dennoch sind die meisten Geoengineering-Vorschläge erdgebunden, was enorme Risiken für unser lebendes Ökosystem birgt. Bildnachweis: MIT

Dieses Projekt ist Teil eines Solar-Geoengineering-Ansatzes – einer Reihe von Technologien, die darauf abzielen, einen Teil des auf die Erde fallenden Sonnenlichts zu reflektieren –, um dem Klimawandel entgegenzuwirken. Im Gegensatz zu anderen erdbasierten Geoengineering-Bemühungen, etwa der Auflösung von Gasen in der Stratosphäre zur Erhöhung ihres Albedo-Effekts, würde diese Methode nicht direkt in unsere Biosphäre eingreifen und daher weniger Risiken für die Veränderung unserer ohnehin fragilen Ökosysteme mit sich bringen. Das aus gefrorenen Blasen bestehende Floß selbst (Forscher vermuten ein Schiff von etwa der Größe Brasiliens) würde im Weltraum in der Nähe des Lagrange-Punkts L1 schweben, einem Ort zwischen der Erde und der Sonne, an dem sich der Gravitationseinfluss von Sonne und Erde aufhebt .

Dieser Vorschlag befasst sich mit vielen Fragen: Wie kann das beste Material für die Blasen entwickelt werden, um den Weltraumbedingungen standzuhalten? Wie kann man diese Blasen herstellen und im Weltraum einsetzen? Wie kann man den Schild vollständig reversibel machen? Was sind die möglichen langfristigen Auswirkungen auf das Ökosystem Erde?

Während die Bekämpfung des Klimawandels zwangsläufig eine Verringerung der CO2-Emissionen auf der Erde erfordert, könnten andere Ansätze wie Geoengineering diese Bemühungen ergänzen, wenn sich herausstellen sollte, dass die derzeitigen Eindämmungs- und Anpassungsmaßnahmen nicht ausreichen, um die aktuellen Trends des Klimawandels umzukehren.[1] Insbesondere Solar Geoengineering – eine Reihe von Technologien, die darauf abzielen, einen Teil des auf die Erde einfallenden Sonnenlichts zu reflektieren – hat sich theoretisch als wertvolle Lösung zur Ergänzung aktueller Bemühungen zur Reduzierung der CO2-Emissionen erwiesen.[2]

Aufbauend auf der Arbeit von Roger Angel, der als Erster den Einsatz dünner reflektierender Folien im Weltraum vorschlug, haben wir eine innovative Lösung entwickelt, die leicht einsetzbar und vollständig reversibel ist. Bildnachweis: MIT

Solares Geoengineering ist eines der am wenigsten erforschten Themen der klimawissenschaftlichen Technologien. Die meisten Forschungsbemühungen konzentrierten sich auf die Auflösung reflektierender chemischer Komponenten in der Troposphäre oder Stratosphäre, die die einfallende Sonnenstrahlung ausgleichen würden,[3] und stehen vor Problemen der Irreversibilität und weiteren Treibhauseffekten. Weltraumgestütztes Geoengineering bietet die Möglichkeit, das Problem ohne direkte Auswirkungen auf die Chemie der Stratosphäre zu lösen.

James Early[4] schlug die Idee eines mehrschichtigen Ablenkfilms vor, der am Lagrange-Punkt (L1, siehe Abbildung 1a) zwischen Sonne und Erde eingesetzt werden soll und das einfallende Sonnenlicht um 1,8 % verringert. Roger Angel[5] untersuchte, aufbauend auf Earlys Forschungen, die Idee eines Schwarms kleiner Raumschiffe, die kleinere Schilde entfalten, und schlug einen frühen Machbarkeitsplan für die Technologie vor. Die größten Herausforderungen im Zusammenhang mit den oben genannten Vorschlägen sind die Komplexität der Vorfertigung eines großen Films sowie dessen Transport und Entfaltung im Weltraum. Andere Ideen beinhalten die Erzeugung einer Staubwolke von Asteroiden[6] bei L1, was das Problem mit sich bringt, das Material eingeschlossen zu halten. Zu den Problemen bei den bestehenden Ansätzen gehören die benötigte Materialmenge, die Schwierigkeit der Herstellung im Weltraum und die Nichtumkehrbarkeit solcher Geoengineering-Projekte.

Die Blasen könnten direkt im Weltraum hergestellt werden und ein ausgedehntes Ablenkfloß bilden, das am Lagrange-Punkt zwischen der Erde und der Sonne positioniert ist. Bildnachweis: MIT

Im Allgemeinen sind die meisten Forschungsarbeiten noch nicht über das Stadium einer groben Machbarkeitsstudie hinausgekommen. In diesem Vorschlag bringen wir ein interdisziplinäres Team von MIT-Wissenschaftlern zusammen, um eine nächste Ebene der Machbarkeit zu erreichen. Als Arbeitshypothese schlagen wir vor, die Idee der Abschirmung der Sonnenstrahlung durch den Einsatz einer Reihe von Blasenflößen zu untersuchen, die aus Anordnungen miteinander verbundener kleiner aufblasbarer Blasen (siehe Abbildung 1b) in der Nähe des Lagrange-Punktes L1 zwischen Sonne und Erde bestehen.

Wir glauben, dass das Aufblasen von Dünnschichtkugeln direkt im Raum aus einem homogenen geschmolzenen Material – wie Silizium – die Variation in der Dicke ermöglichen kann, die ein breiteres Wellenspektrum bricht, und es uns ermöglicht, die Notwendigkeit zu vermeiden, große strukturelle Filmelemente abzufeuern. Kugeln können direkt im Weltraum hergestellt werden, wodurch die Versandkosten optimiert werden. Da Blasen außerdem absichtlich zerstört werden können, indem ihr Oberflächengleichgewicht gestört wird, würde dies die solare Geoengineering-Lösung vollständig umkehrbar machen und den Weltraummüll erheblich reduzieren. Bitte beachten Sie jedoch, dass das Blasenfloß derzeit nur eine Arbeitshypothese ist und während der Vorbereitung des Weißbuchs überarbeitet werden könnte.

Das Projekt ist seiner Natur nach interdisziplinär und umfasst eine Reihe von Forschungsproblemen in einer Reihe von Disziplinen, von der Optik und Mechanik dünner Filme im Weltraum über die Auswirkungen der Verschattung auf die Erde bis hin zur Umsetzung öffentlicher Richtlinien. In den folgenden Unterabschnitten werden die größten Herausforderungen und vorläufige Strategien zur Bewältigung dieser Herausforderungen [unter Einbeziehung der beteiligten Disziplinen] vorgestellt:

Eine grundlegende Phase dieses Projekts ist die Auswahl des richtigen Materials und der richtigen Technologie zur Herstellung und Wartung von Dünnschichtkugeln unter Weltraumbedingungen. In unseren Vorversuchen gelang es uns, eine Dünnfilmblase mit einem Druck von 0,0028 atm aufzublasen und bei etwa –50 °C zu halten (um Weltraumbedingungen von Nulldruck und Temperatur nahe Null anzunähern, siehe Abbildung 1c).

Further research will investigate the use of other types of low vapor-pressure materials to rapidly inflate and assemble bubble rafts (including silicon-based melts, and grapheneGraphene is an allotrope of carbon in the form of a single layer of atoms in a two-dimensional hexagonal lattice in which one atom forms each vertex. It is the basic structural element of other allotropes of carbon, including graphite, charcoal, carbon nanotubes, and fullerenes. In proportion to its thickness, it is about 100 times stronger than the strongest steel." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> graphenverstärkte ionische Flüssigkeiten mit extrem niedrigen Dampfdrücken und relativ geringen Dichten); Zu den wichtigsten Designmetriken gehören die viskosen, thermischen Grenzflächeneigenschaften der Blasenbildner während des Aufblasens sowie die optischen und strukturellen Eigenschaften der Blasenflöße bei Sonneneinstrahlung. [Materialwissenschaften, Maschinenbau, Fluiddynamik]

Abbildung 1 – (a) Lage des L1-Lagrange-Punktes wie in [5] beschrieben (b) Blasenfloß auf einer Wasseroberfläche (mit freundlicher Genehmigung der University of Wisconsin) (c) Gefrorene Dünnschichtblase mit ~20 mm Durchmesser bei 0,0028 atm (Experiment durchgeführt). heraus am MIT). Bildnachweis: MIT

Wir werden untersuchen, ob ein blasenbasierter Schild im Vergleich zu anderen vorgeschlagenen Beschattungslösungen masseneffizient ist. Wenn dünne Flüssigkeitskugeln aufgeblasen werden, kann die minimale Dicke des Flüssigkeitsfilms, der die Hülle bildet, aufgrund des Oberflächentrennungsdrucks und des Marangoni-Effekts theoretisch nur 20 nm betragen. Um jedoch das Sonnenlicht abzulenken, sollte die Dicke der Schalen mit den Wellenlängen der Sonne vergleichbar sein (dh in der Größenordnung von 400–600 nm). Unsere ersten Berechnungen unter Berücksichtigung flüssigkeitsbasierter kugelförmiger Blasen legen nahe, dass die erwartete Massendichte des resultierenden Floßes <1,5 g/m2 betragen würde, was der leichtesten von Angel vorgeschlagenen Abschirmung entspricht.[3-5] [Physik, Optik]

Während sich am Lagrange-Punkt L1 die Gravitationskräfte der Erde und der Sonne aufheben, wäre ein breites und dünnes Blasenfloß erheblich dem Sonnenstrahlungsdruck ausgesetzt, was darauf hindeutet, dass der optimale Standort etwas näher an der Sonne, etwa 2,5 Gm von der Sonne entfernt, ermittelt werden sollte die Erde. Ein aktiver Stabilisierungsmechanismus ist erforderlich und muss entworfen werden, vorzugsweise durch Geometriemodifikation [Luft- und Raumfahrttechnik, Planetenwissenschaften, Robotik]

In Laboren am MIT haben sie Blasen unter Weltraumbedingungen getestet, die eine der effizientesten Dünnschichtstrukturen zur Ablenkung von Sonnenstrahlung sein könnten. Bildnachweis: MIT

Frühere Geoengineering-Forschungen[2,3] deuten darauf hin, dass die einfallende Sonnenstrahlung um 1,8 % reduziert werden sollte, um die Auswirkungen des Klimawandels umzukehren, auch wenn kleinere Prozentsätze ausreichen würden, um Initiativen zur Eindämmung der globalen Erwärmung auf der Erde zu ergänzen.[7] Ein Modell zur Reflexion der Sonnenstrahlung wird erstellt und verwendet, um die optischen Eigenschaften des Blasenfloßes zu bestimmen, während eine tiefergehende Analyse mit Klimamodellen den gewünschten Anteil der Sonnenstrahlungsreduzierung ermitteln wird. [Physik, Optik, Klimawissenschaften]

Ein möglicherweise wesentlicher Vorteil eines Blasenfloßes ist die Möglichkeit der In-situ-Montage mithilfe weltraumgestützter Fertigungsmethoden. Blasen können innerhalb der Produktionseinheit schnell aufgeblasen, dann schnell eingefroren und in einen Raum mit Nulldruck und niedriger Temperatur abgegeben werden. Untersucht wird die Koordination des Lieferprozesses, des Rohstofftransfers, des Aufblasens und die Koordination der daraus resultierenden Blasenflöße. Darüber hinaus werden neuartige Möglichkeiten zum Transport des Materials von der Erde untersucht, einschließlich magnetischer Beschleuniger (Railgun), wie bereits in der Literatur vorgeschlagen. [Luft- und Raumfahrttechnik, Maschinenbau, Robotik]

Wenn ein Blasenfloß nicht mehr benötigt wird, können Schichten dünner Kugeln leicht zerstört werden, indem ihr Oberflächengleichgewicht gestört wird und sie von ihrem metastabilen Gleichgewichtspunkt in eine Konfiguration mit niedrigerer Energie kollabieren. Dies minimiert im Vergleich zu anderen vorgeschlagenen Ansätzen die Ablagerungen und macht es sicherer und widerstandsfähiger bei Stößen mit anderen Objekten. Die Wartung eines derart fragilen Schildes stellt eine Herausforderung dar, und es wird eine effektive Wiederauffüllungsrate untersucht, um sicherzustellen, dass das Schild seine Größe beibehält, sowie Strategien zur Gewährleistung eines reibungslosen Übergangs am Lebensende. [Klimawissenschaften, Luft- und Raumfahrttechnik]

Trotz der Entfernung von der Erdatmosphäre deuten einige Studien darauf hin, dass als Folge der Verringerung der Sonnenstrahlung komplexe Phänomene im Erdklima auftreten können, beispielsweise die Abschwächung außertropischer Sturmbahnen.[8] Dieser Aspekt wird mit unterschiedlichen Anteilen der Sonneneinstrahlungsreduzierung weiter untersucht. Darüber hinaus wird ein Ausstiegsansatz entwickelt, um einen Schock für das Ökosystem Erde durch eine plötzliche Beendigung des Geoengineering-Programms zu vermeiden, wenn es nicht mehr benötigt wird (Studien ermitteln die erforderliche Lebensdauer im Bereich von 50 bis 200 Jahren).[7] ] [Umwelttechnik, Klimawissenschaften]

Wie die größtmöglichen Synergien zwischen Emissionssenkungen und solarem Geoengineering erzielt werden können, ist ein politisches Problem, das sorgfältig untersucht werden muss. Darüber hinaus wird zu folgenden Themen geforscht: Wie kann man politischen Widerstand und politische Angst überwinden? wie man das vermeidet, was als „moralisches Risiko“ bezeichnet wird;[9] wie man das Projekt wirtschaftlich nachhaltig macht; wie man das Lösungsdesign für ein breites Engagement als Open Source bereitstellt. [Politikwissenschaften, Wirtschaftswissenschaften]

In der nächsten Projektphase werden formale Analysen und Simulationen zu den oben genannten Themen sowie vorläufige Laborproduktionsexperimente durchgeführt. Sollte sich das Bubble-Raft-Konzept tatsächlich als die wertvollste Lösung erweisen (aus Kosten- und Massendichtegründen), sind weitere Forschungsarbeiten erforderlich, um das Design zu verbessern, ein Test-Bubble-Raft im unteren Orbit herzustellen und, falls erfolgreich, den Einsatz zu testen im Weltall.

Im größten Ausmaß könnte das System, wie von Roger Angel diskutiert[5], die Auswirkungen von Treibhausgasen in der Atmosphäre zu 100 % ausgleichen. Wir glauben, dass, sobald eine technische Lösung gefunden ist, die Umsetzung noch vor dem Ende des Jahrhunderts erfolgen könnte, wenn derzeit die schwerwiegendsten Folgen des Klimawandels vorhergesagt werden. Was die Kosten betrifft, so wurde von Roger Angel eine erste Schätzung vorgeschlagen, die etwa 0,5 % des globalen BIP über 50 Jahre betragen würde; Die hier vorgeschlagene Verbesserung der Machbarkeit wird uns dabei helfen, zu genaueren Schätzungen zu gelangen. Kurz gesagt glauben wir, dass die Weiterentwicklung der Machbarkeit eines Sonnenschutzes auf die nächste Ebene einen ergänzenden Plan für den Übergang zu einer kohlenstoffarmen Welt auf der Erde darstellen könnte – und uns auf jeden Fall dabei helfen könnte, in den kommenden Jahren fundiertere Entscheidungen zu treffen, falls Geoengineering-Ansätze dringend werden sollten.

Hauptermittler

Technische Berater

Verweise: