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 системы прямого улавливания CO₂ могут быть не только экологичнее, но и дешевле традиционного способа подачи углекислого газа в высокотехнологичные теплицы, где растения из-за герметичности помещений быстро расходуют весь CO₂, необходимый для фотосинтеза.
Проблема высокотехнологичных теплиц общеизвестна: в жарком климате их приходится почти полностью герметизировать и постоянно охлаждать, чтобы защитить растения от перегрева. Но внутри закрытой теплицы концентрация CO₂ быстро падает (иногда более чем вдвое по сравнению с уличным воздухом), из-за чего фотосинтез замедляется и снижается урожайность. Открывать теплицу для проветривания невыгодно: 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.
Международная команда ученых предложила альтернативу – 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 сверхчистого углекислого газа – для растений достаточно концентрации около 1000 ppm, то есть примерно 0,1% по объему, тогда как в промышленных системах улавливания обычно добиваются чистоты свыше 95%.
Исследователи протестировали два типа установок. Первая – температурно-вакуумная система. В ней 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, исследователи подсчитали, что теплица с томатами требует около 419 тонн CO₂ в год, а с салатом – около 144 тонн. Затем они 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 «безубыточная» стоимость составила от нескольких сотен до более чем тысячи долларов за тонну CO₂.
Расчеты показали, что обе адсорбционные системы укладываются в этот диапазон. Себестоимость углекислого газа для них составила около 240-252 долларов за тонну, то есть оказалась сопоставимой или даже ниже стоимости привозного жидкого CO₂, особенно при больших расстояниях транспортировки.
Детальный анализ показал, что ключевым фактором остается стоимость электроэнергии. Именно поэтому пустынные регионы с дешевой солнечной генерацией получают серьезное преимущество. Вторым важнейшим параметром оказалась производительность сорбента – то есть количество CO₂, которое он 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 сверхвысокой 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 становятся значительно экологичнее традиционных поставок жидкого углекислого газа. 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 же привозного CO₂ главным источником выбросов постепенно становилась именно транспортировка.
Теперь ученые планируют провести серию испытаний реальных тепличных комплексов с интегрированными адсорбционными системами в условиях пустыни, поскольку пока большинство данных было получено либо в лаборатории, либо на небольших опытных установках.
Кроме того, исследователи 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.
