Ученые из Университета науки и технологий имени короля Абдаллы в Саудовской Аравии, Университета Восточной Англии в Великобритании и Университета Аризоны в США предложили отказаться от доставки углекислого газа в теплицы автоцистернами и вместо этого извлекать его прямо из атмосферного воздуха. Их исследование показало, что экологически безопасные системы прямого улавливания CO2 могут оказаться дешевле обычного способа подачи углекислого газа в высокотехнологичные теплицы, где растения из-за герметичности помещений быстро расходуют весь CO2, необходимый для фотосинтеза.
Проблема высокотехнологичных теплиц заключается в том, что в жарком климате их приходится почти полностью герметизировать и постоянно охлаждать, чтобы защитить растения от перегрева. Но внутри закрытой теплицы концентрация CO2 быстро падает, из-за чего фотосинтез замедляется и снижается урожайность. Открывать теплицу для проветривания не выгодно. Это нарушает климат-контроль и резко увеличивает расходы на охлаждение. Поэтому владельцы теплиц вынуждены закупать жидкий углекислый газ, который получают как побочный продукт на промышленных предприятиях, сжижают, перевозят за сотни километров в специальных цистернах, хранят под давлением, а затем постепенно подают внутрь теплицы. В 2025 году такой CO2 обходился фермерам примерно в 267-783 доллара за тонну, а сама транспортировка заметно увеличивала углеродный след сельского хозяйства.
Ученые предложили получать CO2 прямо на месте с помощью технологий прямого улавливания углекислого газа из воздуха. В основе лежит адсорбция. Воздух прогоняют через специальный сорбент, который захватывает молекулы CO2, а затем высвобождает их при изменении температуры, давления или влажности. Такой подход избавляет от сложной логистики и не требует получения чистого углекислого газа. Для растений достаточно концентрации около 1000 ppm, тогда как в промышленных системах улавливания обычно добиваются чистоты свыше 95%.
Ученые протестировали два типа установок. В температурно-вакуумной системе воздух прогоняется через слой сорбента на основе коммерческой смолы Lewatit VP OC 1065, которая связывает CO2. После этого колонну герметизируют, нагревают и создают внутри вакуум, из-за чего сорбент выделяет накопленный углекислый газ, который сразу подается в теплицу.
Вторая система использует ионообменную смолу IRA-900 и работает по принципу изменения влажности. Такой сорбент поглощает CO2 из сухого воздуха, а затем выделяет его при увлажнении водой. После высушивания цикл повторяется. Этот вариант оказался проще и дешевле по оборудованию, но потребовал больше воды и электроэнергии.
Для оценки эффективности ученые смоделировали работу теплицы площадью 1 гектар в условиях Джидды. Используя модели фотосинтеза для салата и томатов черри, а также реальные данные по солнечной радиации и климату, они подсчитали, что теплица с томатами требует около 419 тонн CO2 в год, а с салатом − около 144 тонн. Затем ученые определили максимальную цену углекислого газа, при которой обогащение воздуха все еще остается экономически выгодным за счет роста урожайности. В зависимости от культуры, рыночных цен и прибавки урожая эта стоимость составила от нескольких сотен до более чем тысячи долларов за тонну CO2.
Расчеты показали, что обе адсорбционные системы укладываются в данный диапазон. Себестоимость углекислого газа для них насчитывала около 240-252 долларов за тонну, оказавшись сопоставимой или даже ниже стоимости привозного жидкого CO2, учитывая большие расстояния транспортировки.
Детальный анализ показал, что ключевым фактором остается стоимость электроэнергии. Именно поэтому пустынные регионы с дешевой солнечной генерацией получают серьезное преимущество. Вторым важным параметром оказалось количество CO2, которое сорбент способен захватить за один цикл работы. Снижение этой производительности на 30% почти удваивает итоговую стоимость углекислого газа. Поэтому для теплиц важнее получать максимальный объем CO2, чем добиваться его высокой чистоты, необходимой для промышленного хранения или транспортировки.
Оценка полного жизненного цикла от производства оборудования до его утилизации показала, что при использовании солнечной энергии системы прямого улавливания CO2 выигрывают в плане экологической безопасности. Например, углеродный след производства килограмма салата снижался с 0,50 кг CO2-эквивалента при питании только от электросети до 0,076 кг при использовании исключительно солнечной энергии. В случае привозного CO2 главным источником выбросов постепенно становилась именно транспортировка.
Ученые планируют провести серию испытаний реальных тепличных комплексов с интегрированными адсорбционными системами в условиях пустыни, поскольку пока большинство данных удалось получить либо в лаборатории, либо на небольших опытных установках.
Кроме того, ученые хотят изучить, как жара, влажность и пыль влияют на эффективность сорбентов и скорость улавливания CO2 в долгосрочной перспективе. Отдельное направление связано с влажностной системой. В будущем ее хотят объединить со сбором влаги из воздуха и конденсата самой теплицы, чтобы одновременно получать и углекислый газ, и воду для полива.
