如果你在谷歌地圖上搜索夏威夷的Keāhole Point，將其置於螢幕中央，然後不斷縮小，直到能看到地球的邊緣，你會清晰地意識到一件事：太平洋實在太大了。
幾個月後，在夏威夷大島這片火山岬角上，海洋科技初創公司Captura將開始儘可能多地將太平洋海水泵入其管道和儲罐。該公司的計劃是通過電化學方式從海水中提取二氧化碳，儲存或利用這些二氧化碳，再將海水送回大海——屆時海水將自然地從空氣中吸收更多二氧化碳。
Captura是一批將地球海洋視為可待開發碳匯的初創公司之一。它所採用的生物工程策略旨在加速海洋本已在做的事：大規模吸收碳排放。這一自然過程在數百萬年間幫助維持了大氣中二氧化碳的平衡，但如今已無法跟上現代工業排放的速度。目前，數十個實地試驗和試點項目已經啟動，Captura及其他幾家公司將在2025年開始擴大設施規模。
各家公司的方案既多元又大膽。一些團隊正在海中培育海帶森林或微藻；另一些則提議在淺層和深層海水之間抽水以轉移碳；還有兩種策略引起了《IEEE Spectrum》的關注——Captura的海洋二氧化碳去除方案（從海水中抽取碳）和海洋鹼度增強方案（將碳儲存在海洋中）。這兩種方案都推動了新型高效電化學系統的研發，用於處理大量海水。
這些想法獲得了大型資助機構的支持。美國能源部1億美元XPrize碳捕獲獎和3500萬美元碳去除採購試點獎的入圍名單中，均包含海洋類方案。
然而，海洋碳捕獲公司面臨的挑戰與其雄心壯志一樣龐大。大多數公司的商業模式最終依賴於在自願碳市場上出售碳信用額度。而要出售碳信用，必須量化其促使海洋從空氣中吸收了多少二氧化碳。這一過程僅憑物理測量無法實現，必須藉助存在相當不確定性的數值模型。
此外，還需要進行大量環境監測，以證明海洋碳去除策略不會危害水生生物。規模問題同樣不容忽視。要在地球大氣層中超過1000億噸的超量二氧化碳面前有所作為，公司需要以"聖經級別"的規模處理海水。
"如果你想從海洋中去除10億噸二氧化碳，每年大概需要把大西洋上層幾米的海水全部過一遍你的機器，"德國基爾Geomar亥姆霍茲海洋研究中心生物地球化學模型負責人Andreas Oschlies說，"這是一個巨大的水量，但並非不可能。"
抱著"並非不可能"的信念，全球各地的公司將在2025年付諸實踐。
海洋碳捕獲的原理
為維持平衡，地球的海洋和大氣不斷交換二氧化碳。工業革命後，大氣中二氧化碳濃度升高，海洋吸收量也隨之增加。目前，海洋約吸收四分之一的碳排放，陸地吸收約30%，其餘部分則滯留在大氣中，加劇全球變暖。
許多團隊已投身於利用直接空氣捕獲（DAC）系統從空氣中抽取二氧化碳的事業。這種高耗能方式需要將環境空氣通過化學溶劑或過濾器，再儲存或再利用捕獲的碳。
但海洋中的二氧化碳濃度是空氣中的150倍。"利用海洋的優勢在於，它本身就在大規模地做這項工作，"曾從事DAC行業的Captura首席執行官Steve Oldham表示。
過去一年，Captura一直在一艘退役美國海軍駁船甲板上建造的試點工廠進行測試。這艘駁船停泊在洛杉磯港的一個廢舊區域，停靠在一個偶有海獅造訪的閒置碼頭旁。
在參觀過程中，Captura海洋學家Sophie Chu和機械工程師Eric Marks向《IEEE Spectrum》介紹了系統的核心設備——一台定製電滲析機。海水被泵上駁船後，該機器對一部分海水施加電壓，使其通過一系列離子選擇性膜，將海水分子（氫、氧和氯化鈉）按離子電荷重新排列，產生酸（鹽酸）和鹼（氫氧化鈉）。酸與海水中的溶解無機碳反應，將其轉化為溶解二氧化碳，再通過真空氣液膜接觸器將二氧化碳分離捕獲。鹼則被加回水中以恢復鹼度，處理後的海水被排回大海，在與大氣平衡的過程中自然吸收更多二氧化碳。
為使電滲析系統適用於碳捕獲，Captura工程師研發了高性能膜，降低了成本和能耗，並改變了膜堆的幾何形狀。為進一步降低能耗並使系統能在間歇性可再生能源下運行，Captura還將電滲析設計為短時運行模式，例如在電價低廉或陽光充足時工作。
Captura在洛杉磯港的試點每年可從海水中去除約100噸二氧化碳，而在夏威夷正在建造的新工廠將達到10倍的捕獲量。
量化與碳信用難題
被去除了二氧化碳的海水排回大海後會發生什麼，卻難以量化。理論上，若從海洋表層人工抽出1000噸二氧化碳，海洋最終將從空氣中再吸收等量的二氧化碳。但實現這一平衡的速度取決于洋流、溫度和風力條件。
Sophie Chu表示，當空氣與海洋二氧化碳濃度差較小時，通過自然海氣交換實現平衡平均需要約一年時間；而人工二氧化碳去除將造成更大的濃度差，平衡過程可能更長。
僅憑物理測量來證明這一點幾乎不可能，因為這需要在大片海域採集水樣並運回陸地實驗室。加拿大達爾豪西大學海洋學家Katja Fennel表示："理想情況下，我們希望將傳感器微型化，放置在海洋中的自主平台上，在時間和空間維度上收集大量數據。"這些傳感器將測量鹼度、溶解無機碳、pH值和二氧化碳分壓等關鍵指標。
與此同時，海洋碳公司必須依賴數值模型。[C]Worthy首席技術官Alicia Karspeck表示，ROMS（區域海洋模型系統）和MARBL（海洋生物地球化學庫）等模型已被用於氣候和海洋的常規研究，可進一步優化以量化海洋碳去除量。Karspeck的組織正在構建軟體基礎設施，以幫助標準化和部署這些模型，並計劃在2025年推出首個版本。
此外，還有對捕獲二氧化碳如何處置的問題。它可用於製造塑料或合成燃料（這會將碳再度排放回大氣），也可以被永久封存於地下（成本高昂）。Oldham設想在退役的油氣平台上建設Captura工廠，利用現有管道將捕獲的二氧化碳封存在海底。
海洋鹼度增強：讓海洋永久儲碳
為消除運輸和封存捕獲的二氧化碳的挑戰，一些研究團隊著眼於將海洋本身作為永久碳儲庫，這就是"海洋鹼度增強"方案。
在數十億年的地質過程中，大氣中的二氧化碳與陸地上的鹼性岩石反應，形成碳酸氫根和碳酸根離子，隨降雨流入河流，最終匯入海洋。這一過程稱為"風化"，它提升了海洋鹼度和pH值，削弱了化石燃料排放帶來的酸化，並使溶解無機碳向碳酸氫根和碳酸根離子的形式轉變。以這種形式存在的碳可在海洋中鎖定數千年。
海洋鹼度增強繞過了風化過程，直接提升海洋鹼度，將溶解的二氧化碳轉化為更穩定的碳酸氫根和碳酸根離子。這可以通過向海洋或海灘添加鹼性物質來實現。今年7月，Vesta宣布在北卡羅來納州Duck海岸附近添加了8200噸橄欖石沙；新斯科舍省的Planetary Technologies則向海水中添加氫氧化鎂，並於11月宣布已去除138噸二氧化碳，並向Shopify和Stripe出售了碳信用額度。
海洋鹼度增強也可通過電化學方式實現。Ebb Carbon在華盛頓州Sequim的美國太平洋西北國家實驗室建立了一個集裝箱大小的試點工廠，對此進行了逾一年的測試。該工廠從Sequim灣抽入海水，通過電滲析機處理，最終產生酸流和鹼流。鹼流排回海洋後與海水混合，將溶解的二氧化碳轉化為碳酸根和碳酸氫根離子，為更多空氣中的二氧化碳進入創造空間。
2025年，Ebb Carbon計劃在華盛頓州Port Angeles建造第二座工廠，預計每年可去除約500噸二氧化碳。公司聯合創始人兼首席科學家Matthew Eisaman表示，該公司最終將其系統與脫鹽工廠及其他向海洋排放鹽水的工業場所聯合部署。
規模和生態風險始終是主要挑戰。若Ebb Carbon將商業版系統安裝在全球每一座脫鹽工廠，每年可從大氣中去除約10億噸二氧化碳，但這仍只是全球年排放總量的一小部分。過高的鹼度可能破壞生態系統，若未能迅速稀釋，還可能引發石灰石自發沉澱，並將二氧化碳重新釋放到大氣中。"監管機構必須對此保持高度關注，"Oschlies警告說。
此外，如何向公眾解釋海洋鹼度增強——而不讓人覺得是在向大海傾倒化學品——也是一個棘手的公關難題。
兼顧直接捕獲與海洋儲存的創新路徑
加州大學洛杉磯分校的衍生公司Equatic另闢蹊徑，將直接空氣捕獲二氧化碳與海洋儲存相結合，從而能夠精確測量從空氣中抽取的二氧化碳量。
Equatic的系統從海洋中抽水，通過電解槽將其分離為液態酸流、液態鹼流、氫氣和氧氣四個組分。系統同時將含有二氧化碳的空氣引入，與鹼流接觸，將二氧化碳轉化為碳酸氫根離子和固態碳酸鈣。酸流則與岩石接觸以提升pH值，再與鹼流合併，使處理後的海水化學成分與輸入時基本相同，最終排入大海。此外，電解產生的氫氣可作為副產品出售，為公司增添了碳信用以外的額外收入來源。
使用電解槽分解鹽水而非電滲析的問題在於會產生有毒氯氣。Equatic於今年9月宣布，已研發出一種製造選氧陽極和精細架構催化劑的方法，使其不與鹽水中的鹽分反應，從而避免氯氣的產生。
Equatic在洛杉磯和新加坡的試點工廠每天從空氣中去除約100千克二氧化碳。在新加坡建設中的示範工廠將達到約10000千克的日捕獲量。2025年，Equatic計劃與加拿大碳去除初創公司Deep Sky合作，在魁北克開始建設商業系統，利用300台電解槽依託水電和核能運行，每天捕獲逾300噸二氧化碳，並生產8400千克氫氣。
海洋碳捕獲公司已吸引了大型資助機構的關注。美國能源部在其碳去除獎的24個半決賽入圍者中，選出了Ebb Carbon、Equatic和Vycarb；XPrize則在20個決賽入圍者中包含了Captura、Ebb Carbon、Kelp Blue和Planetary，並計劃於明年4月公布獲獎者。
儘管獎項營造出競爭氛圍，但應對全球氣候危機最終需要多種策略協同發力。Chu總結道："碳足夠多，所有人都有用武之地。"
Q&A
Q1：Captura的海洋碳捕獲技術是如何工作的？
A：Captura通過電滲析機對海水施加電壓，使其通過離子選擇性膜，產生鹽酸和氫氧化鈉。鹽酸與海水中的溶解無機碳反應，生成溶解二氧化碳，再由真空氣液膜接觸器將其分離捕獲。氫氧化鈉則被加回水中以恢復鹼度，處理後的海水排回大海，繼續自然吸收大氣中的二氧化碳。目前洛杉磯港試點工廠每年可去除約100噸二氧化碳，夏威夷新工廠將達到1000噸。
Q2：海洋鹼度增強和直接從海水去除二氧化碳有什麼區別？
A：直接海洋二氧化碳去除（如Captura的方案）是將溶解在海水中的二氧化碳抽取出來，集中儲存或利用。海洋鹼度增強（如Ebb Carbon的方案）則是提升海水的鹼度，使溶解的二氧化碳轉化為碳酸氫根和碳酸根離子，讓碳以更穩定的形式在海洋中儲存數千年，無需單獨封存，但需監控鹼度對生態的影響。
Q3：海洋碳捕獲公司如何證明自己真正減少了大氣中的二氧化碳？
A：目前僅靠物理測量難以精確證明，因為需要在大片海域持續採集水樣，工程量巨大。各公司主要依賴ROMS、MARBL等數值模型進行推算，同時輔以pH值、二氧化碳分壓等傳感器數據。[C]Worthy等機構正在開發標準化建模軟體。Equatic則通過將直接空氣捕獲與海洋儲存結合，直接測量從空氣中抽取的二氧化碳量，在計量精度上更具優勢。
