‘Het was alsof ik water uit een hogedrukspuit moest opvangen met een mok”, vertelt Dante McGrath, postdoc-onderzoeker bij het Centre for Climate Repair van de University of Cambridge. „Staand op een ladder probeerde ik de flacon precies schuin genoeg te houden zodat er een beetje water in terechtkwam. Na verloop van tijd werd ik er iets handiger in, maar nog steeds raakte ik elke keer doorweekt.”
Het veldonderzoek waar McGrath in een vergaderzaal in Cambridge over vertelt, vond begin 2024 plaats in Australië. Daar bekijken onderzoekers van het Reef Restoration and Adaptation Program onder leiding van de Southern Cross University of het spuiten van mist boven zee en het reflectiever maken van wolken kunnen helpen om de koralen van het Groot Barrièrerif te beschermen tegen klimaatverandering. Een van McGraths taken was monsters nemen van het zeewater dat uit twee waterkanonnen spoot.
Het idee van de reflectievere wolken boven het rif is dat minder straling van de zon het wateroppervlak bereikt. Marine cloud brightening (MCB) heet de techniek. De Australiërs hopen dat hierdoor het water minder opwarmt en het koraal minder hittestress ondervindt – de belangrijkste oorzaak voor het afsterven van het koraal.
Ook een aantal klimaatonderzoekers heeft de blik op de wolken gericht. Hun redenering is dezelfde als die van de onderzoekers die het koraal willen redden, maar grootser: wolken op grote schaal reflectiever maken kan de temperatuur op aarde wellicht enkele graden omlaagbrengen en zo een aantal ernstige gevolgen van klimaatverandering voorkomen.
De Australiërs zien MCB als serieuze optie om klimaatgedreven koraalsterfte tegen te gaan – naast methodes zoals het kweken van hittebestendiger koraal. „We zijn voorbij de fase van proof of concept”, schreef programmaleider Daniel Harrison van de Southern Cross University in Australië eind 2023 in een artikel op wetenschapssite The Conversation. Al moet er nog veel gebeuren. In samenwerking met de Universiteit van Cambridge worden nu bijvoorbeeld nieuwe methodes onderzocht om druppeltjes te maken.
Onderzoek naar marine cloud brightening voor toepassing op mondiale schaal is daarentegen zeer controversieel. Dat geldt in het bijzonder voor veldexperimenten. Een onderzoek van de Universiteit van Washington dat afgelopen april startte in Alameida, Californië, werd al snel stilgelegd en uiteindelijk helemaal gestopt nadat belangengroepen die zich zorgen maken over solar geo-engineering zich roerden bij de gemeenteraad van Alameida.
Foto’s Yalonda M. James/Polaris Images
Mikken op wolken boven water
Toch wordt het idee mondjesmaat populairder. „Dat is vooral omdat de andere techniek die in dit kader genoemd wordt, deeltjes in de stratosfeer spuiten, een stuk angstaanjagender klinkt dan het bewerken van wolken”, zegt Hugh Hunt, hoogleraar engineering aan de Universiteit van Cambridge en adjunct-hoofd van het Centre for Climate Repair. „Dat is een kwestie van perceptie, het beeld klopt niet als je het mij vraagt. Maar het verschil in perceptie is wel een belangrijke reden dat wij serieus met marine cloud brightening aan de slag zijn gegaan, waarom dit onderzoek volgens ons de moeite waard is.”
Opvallend genoeg is de benodigde techniek voor MCB voor lokale of mondiale toepassing identiek. Dezelfde boten, dezelfde waterkanonnen. Maar wie het mondiaal wil inzetten moet het op heel andere plekken doen, en de gevolgen voor het klimaat liggen ook heel anders dan bij lokale toepassing. Onder andere in Delft proberen onderzoekers met modellen meer grip hierop op te krijgen.
Eerst even over de natuurkunde die achter het idee steekt. MCB speelt in op het effect dat aerosolen – in dit geval zoutdeeltjes – hebben op wolkenvorming en de helderheid van wolken. Zeewater wordt in nanodruppeltjes omhoog gesprayd en zoutkristallen uit het zeewater komen via opwaartse luchtstromen in de wolk terecht. Daar veranderen de zoutdeeltjes de structuur van de wolk. Ze fungeren als kern waar waterdruppeltjes in de wolk op condenseren. Er ontstaan dan meer en kleinere waterdruppeltjes; de wolk wordt daardoor witter en weerkaatst meer zonlicht.
De oceaan bestaat voor 0,1 procent uit koraal, toch herbergt het 25 procent van de mariene biodiversiteit
Dit gebeurt alleen bij lage bewolking, zogeheten stratocumuluswolken, op enkele honderden meters tot een kilometer hoogte. De onderzoekers mikken op wolken boven water en niet boven land, omdat de techniek boven water het meeste verschil kan maken: het wateroppervlak is donkerder dan land en neemt daardoor bij weinig bewolking meer straling op. Ook bevat de lucht boven water van zichzelf veel minder aerosolen die als condensatiekern kunnen fungeren – boven land wemelt het al van de aerosolen door luchtvervuiling.
Het idee om met MCB de temperatuur enkele graden omlaag te brengen en zo opwarming door broeikasgassen te compenseren werd voor het eerst geopperd door John Latham, natuurkundige aan MIT in de VS. Hij schreef er in 1990 een commentaar over in Nature. De Australiërs zijn lokale toepassing van MCB om schaduw voor het rif te genereren in 2016 gaan verkennen, nadat in een warme zomer (wederom) een groot stuk van het Groot Barrièrerif was gestorven.
De problemen rond het koraalrif zijn prangend. „De oceaan bestaat voor 0,1 procent uit koraal, toch herbergt het 25 procent van de mariene biodiversiteit”, zegt McGrath. Het Groot Barrièrerif is het grootste koraalrif ter wereld, maar grote stukken zijn inmiddels verbleekt en afgestorven. „Zulke bleaching events vonden altijd al plaats in periodes waarin het zeewater tijdelijk warmer was dan gemiddeld. Maar nu verbleken elke zomer wel grote stukken.”
Betere druppels produceren
Het weer bepaalt hoe de Australiërs hun waterkanonnen richten. Marine cloud brightening kan alleen plaatsvinden bij vochtige lucht of als er al laaghangende wolken zijn. Bij wolkenloos en windstil weer spuiten de kanonnen daarom niet omhoog, maar horizontaal. Dan vormen de druppeltjes mist vlak boven het water, die het felle zonlicht verstrooit. Naast hitte van warm zeewater is ook zonlicht dat direct op het koraal valt schadelijk voor het koraal.
In video’s die over het Australische veldonderzoek op YouTube zijn verschenen is te zien hoe het sprayen in zijn werk gaat. Waterkanonnen aan de achterzijde van een schip spuiten met grote kracht druppels de lucht in. Miljarden per seconde, het geeft een oorverdovend lawaai – geen wonder dat McGrath moeite had een flacon te vullen voor zijn monster. Achter het schip is een nevelige pluim te zien. Met drones en vliegtuigen deden onderzoekers metingen aan de druppelpluim en de wolken. Het doel van de veldproef is om de spraytechniek te verbeteren. Zo veel mogelijk druppels moeten de wolken bereiken, bij zo min mogelijk energieverbruik.
In het zoutwaterlab van het Centre for Climate Repair in Cambridge zijn promovendi Edmund Reardon, Jake Chapman en Yashas Raj volop met nieuwe spraytechnieken bezig. Ze werken aan vier methodes om druppeltjes te genereren.
„Bij de huidige veldtests wordt zeewater gemengd met lucht en onder hoge druk gebracht”, zegt Reardon. „Het spuit dan explosief naar buiten, waardoor het water in kleine druppels uiteenspat.” Het werkt, maar er zijn andere methodes denkbaar die zuiniger zijn en betere druppels produceren.
Iedereen die ik erover sprak verklaarde me voor gek
Zo werkt Reardon aan flash boiling. Zeewater loopt hierbij langs diverse verwarmingselementen waar het opwarmt tot ruim 250 graden. Omdat Reardon de druk tegelijkertijd laat oplopen gaat het niet koken. Dat gebeurt pas als het water het spuitmondje bereikt, het water komt daardoor explosief naar buiten en spat uiteen in druppeltjes van minder dan een micron groot – hij mikt op deeltjes tussen de 50 en 200 nanometer (een micron is een duizendste millimeter, een nanometer is een duizendste micron). „Iedereen die ik erover sprak verklaarde me voor gek, al die warmte kan nooit efficiënt zijn. Maar de druppelgrootte die ermee te produceren valt is zo goed dat de energievraag lager is dan bij de bestaande techniek.”
De technieken waaraan Chapman werkt zijn minder ver gevorderd, maar wel veelbelovend. Het idee van elektrospray is dat een elektrisch veld van 10.000 volt een heel kleine waterstroom via een naald naar buiten trekt, die dan ook weer uiteengaat in kleine druppels. „De techniek is bekend uit spectrometrie, en het voordeel is dat het uniforme deeltjes oplevert. Dat is ideaal voor MCB. Maar het is nog nooit geprobeerd met zeewater en dat blijkt uitdagende eigenschappen te hebben.”
De andere techniek lijkt simpeler: duw water door heel kleine openingen en er zullen druppels ontstaan, net als in de douche gebeurt. „De druppels zijn altijd twee keer de grootte van het gaatje, dus maak het gaatje klein genoeg en je krijgt de druppels waar je op mikt”, zegt Chapman. „Theoretisch is dit de meest eenvoudige manier, praktisch gezien blijkt het een van de moeilijkste manieren.”
Ook het idee van Raj is simpel, hij maakt met lucht bellen in het water, die bij het uiteenspatten kleine druppels vormen. Hij laat een eenvoudige opstelling zien met een tuinslang met gaatjes. Het bubbelt rustig en er hangt een pluimpje waterdamp omheen. „Het imiteert wat golven ook doen”, zegt Raj. „Het levert een verrassend groot aantal druppeltjes op maar het is nog helemaal niet energie-efficiënt. Dat moet beter, maar ik ben dan ook pas net begonnen.”
De Britse ingenieurs verkennen vier opties omdat ze allemaal voors en tegens hebben, een duidelijke winnaar tekent zich nog niet af. „De komende één of twee jaar zullen we er denk ik één kiezen waar we gezamenlijk mee verder gaan”, zegt Chapman. „We willen significante stappen zetten. Binnen vijf jaar moet dit opgeschaald zijn, anders heeft het misschien geen zin meer.”
Spuitmondjes ter grootte van een naald of een douchekop met nanogaatjes. Druppels van tussen de 50 en 200 nanometer groot. Het gaat hier over het heel, heel kleine. Een schril contrast met de waterkanonnen van de Australische veldtest, waar de schaal van een dergelijke techniek om de aarde af te koelen iets voorstelbaarder wordt.
„Naar verwachting moet om tot één graad afkoeling te komen een miljard ton zeewater omhoog gesprayd worden”, zegt Hugh Hunt. „Vergis je niet, het zou een gigantische operatie zijn, met heel, heel veel boten.”
Zwavel in de stratosfeer spuiten
Even uitzoomen. Hoe verhoudt het onderzoek naar MCB zich met onderzoek naar andere ‘technofixes’, andere grootschalige technieken om klimaatverandering tegen te gaan? De meest vooraanstaande ‘concurrent’ van MCB is SAI, stratosferic aerosol injection. Dit idee om deeltjes zoals zwavel in de stratosfeer te spuiten – op 15 tot 25 kilometer hoogte – om daar een deel van de zonnestraling tegen te houden is het meest vooraanstaand omdat uit modelonderzoek van klimaatfysici is gebleken dat het de gemiddelde mondiale temperatuur inderdaad effectief omlaag kan brengen en omdat het relatief betaalbaar zou zijn. Hunt: „Hiervoor is de schatting dat er tien miljoen ton aan aerosolen nodig is, honderd keer minder dan voor MCB”.
Let wel, de aanpak is enkel nog met computermodellen onderzocht. „Zwaveldeeltjes worden als de beste optie voor SAI genoemd, alleen omdat ze het meest onderzocht zijn omdat vulkanen ook zwaveldeeltjes uitspuwen”, zegt Hunt. „Zwavel is niet goed voor de ozonlaag, dat is een groot negatief punt dat nu rond SAI klinkt. Maar er zijn nog zoveel andere deeltjes mogelijk, die vast elk weer eigen voor- en nadelen hebben, maar daarnaar heeft nog helemaal geen onderzoek kunnen plaatsvinden.”
Laat staan dat er onderzoek is naar spuitmethodes, of zelfs naar geschikte vliegtuigen om in de stratosfeer te vliegen.
Dit komt, SAI is óók hoogst controversieel. Tegenstanders maken zich grote zorgen dat er ook delen van de wereld zijn waar SAI negatieve klimaatgevolgen zou kunnen hebben en ze stellen dat zoiets groots als ingrijpen in het klimaat op wereldschaal nooit rechtvaardig georganiseerd kan worden. De controverse hierover heeft als gevolg dat voorgenomen veldtesten steeds worden afgeblazen. Het modelonderzoek wordt dus ook niet gevoed door metingen, behalve wat bij vulkaanuitbarstingen gemeten wordt. En er is nog geen enkele technische vraag beantwoord.
De praktische kant van MCB krijgt mede dankzij het koraal wel een kans. Toch maakt dit niet dat marine cloud brightening de bovenliggende hand heeft. In wolkenmodellen zitten namelijk veel meer onzekerheden dan in stratosfeermodellen. Wolken, vaak zo scherp afgetekend in de lucht, zijn ongrijpbaar als je dichtbij komt. Dat geldt ook voor het vangen van wolken in een model – wolken zijn variabel, complex en voortdurend in beweging. Niet voor niets komt een groot deel van de onzekerheidsmarges in klimaatmodellen op het conto van wolken.
Grote deeltjes en kleine deeltjes
Onder meer aan de TU Delft wordt met modellen onderzoek gedaan aan de microfysica van wolken in het kader van MCB. „We werken in Delft aan twee vragen”, zegt Isabelle Steinke, universitair docent climate interventions aan de TU Delft. „Stel je krijgt die deeltjes in de lucht, wat voor deeltjes hebben dan welk effect – wat doen grote deeltjes en wat doen kleinere deeltjes in een wolk? De andere vraag gaat over het transport van de deeltjes. Hoe hoog moeten we ze krijgen? Het maakt nogal wat uit of ze tot honderd of vijfhonderd meter moeten komen, of tot een kilometer hoogte.”
De Delftenaren werken hecht samen met de onderzoekers uit Cambridge, een gezamenlijk onderzoeksprogramma wordt gefinancierd door Refreeze the Arctic Foundation. Elk half jaar zoeken de onderzoekers elkaar voor een paar dagen op. „In Cambridge onderzoeken ze wat voor deeltjes te produceren zijn, wij kijken naar de effecten van de verschillende opties in de wolk”, zegt Steinke. „Met onze resultaten gaan zij weer verder, en vice versa.”
Andere MCB-onderzoekers richten zich op het effect op het mondiale klimaat. Het belangrijkste risico is dat op lokale schaal temperatuur- of neerslagpatronen verstoord kunnen raken. Dit effect treedt niet op de plek op waar de wolken gevoed worden met deeltjes, maar juist elders: rücksichtslose toepassing van MCB rond de evenaar, kan tot veranderingen leiden in de tropen. Ook leven er zorgen over wat wereldwijde toepassing op langere termijn – een decennium – zou betekenen voor grootschalige circulatiepatronen, en over wat stoppen met de techniek voor effect heeft.
Je wil geen overmatige koeling in één regio, maar juist een gebalanceerd effect
„Het wordt steeds duidelijker dat er echt een goede strategie nodig is voor waar je wolken zou moeten voeden met deeltjes”, vat Steinke samen. „Je wil geen overmatige koeling in één regio, maar juist een gebalanceerd effect. Er moet dus rekening gehouden worden met de circulatiepatronen. Opvallend genoeg blijkt dat je dan niet de regio’s moet hebben waar de impact op de wolken het grootst is. Welke regio’s dan wel, dat is nog niet helemaal duidelijk.”
Steinke is ook geïnteresseerd in veel bredere vragen. „Stel je hebt dit uiteindelijk grotendeels in de vingers, wat betekent dat dan? Er hangt een hele keten van gebeurtenissen aan vast. Het aanpassen van wolken heeft impact op neerslag, wat betekent dat voor de landbouw? Wat betekent het voor mariene ecosystemen? Ook zal er altijd enige onzekerheid in de modellen blijven zitten. Hoe relevant zijn de verschillende onzekerheden, en hoe kunnen beslissers daarmee omgaan? Er is nu veel momentum om met dit soort interdisciplinaire vragen aan de slag te gaan.”
Hoogleraar Hunt windt zich tijdens een gesprek in zijn kantoor in het Engineering-gebouw in Cambridge op over het gebrek aan actie op het gebied van terugdringen van CO2-uitstoot. „Het is van de zotte dat ik een boete krijg als mijn hond in het gras poept, maar dat uitstoters zomaar hun afval, want dat is CO2, in de lucht mogen pompen. In gigantische hoeveelheden!”
Hij heeft er geen vertrouwen in dat reductie van CO2 op tijd gaat lukken, voor er onomkeerbare gevolgen zullen zijn. „Het idee van solar geo-engineering is radicaal, maar ik denk dat we op een punt staan dat we ook radicaal moeten zijn. De tijd raakt op. Als we niet radicaal zijn, wat blijft er dan nog over? Dit is mijn poging er iets aan te doen.”
