Tattiche e costi di iniezione di aerosol stratosferico nei primi 15 anni di dispiegamento

Per citare questo articolo: Wake Smith e Gernot Wagner 2018 Environ. Ris. Lett. 13 124001

Wake Smith 1 e Gernot Wagner 2
1 Associate Fellow, Trumbull College, Yale University, e Docente allo Yale College, New Haven CT, Stati Uniti d’America
2 Centro per l’ambiente dell’Università di Harvard, 26 Oxford Street, MA 02138, Stati Uniti d’America

Astratto

Esaminiamo le capacità e i costi dei vari metodi di lofting destinati a fornire solfati nella bassa stratosfera. Elaboriamo un futuro scenario di dispiegamento della geoingegneria solare per dimezzare l’aumento del forzante radiativo antropogenico a partire da 15 anni, dispiegando materiale ad altitudini fino a ∼ 20 km. Dopo aver esaminato un elenco esaustivo di potenziali tecniche di distribuzione, stabiliamo un sistema di consegna basato su aerei.

A differenza del precedente studio completo sull’argomento (McClellan et al 2012 Environ. Res. Lett. 7 034019), concludiamo che nessun progetto di aeromobile esistente, anche con ampie modifiche, può ragionevolmente adempiere a questa missione. Tuttavia, concludiamo anche che lo sviluppo di una nuova nave cisterna ad alta quota appositamente costruita con notevoli capacità di carico utile non sarebbe né tecnologicamente difficile né proibitivo. Calcoliamo i costi di inizio anno di ∼ $ 1500 ton-1 di materiale distribuito, con conseguenti costi medi di ∼ $ 2,25 miliardi di anni-1 nei primi 15 anni di implementazione. Calcoliamo ulteriormente il numero di voli a ∼ 4000 nel primo anno, aumentando linearmente di ∼ 4000 anni-1. Concludiamo sostenendo che, sebbene economico, un tale programma basato sugli aerei sarebbe improbabile che sia un segreto, data la necessità di migliaia di voli all’anno da parte di aerei delle dimensioni di un aereo di linea che operano da una serie di basi internazionali.

1 Introduzione

La geoingegneria solare è comunemente vista come soggetta a quella che alcuni chiamano la sua “economia incredibile” (Barrett 2008) e, più specificamente, il suo effetto “guida libera”: i suoi costi diretti sono così economici rispetto ai suoi potenziali impatti climatici da invertire molti delle proprietà del cosiddetto problema del ‘free rider’ che disciplina le decisioni di mitigazione del carbonio e la politica climatica più in generale (Wagner e Weitzman 2012, 2015, Weitzman 2015).
Il problema della governance diventa quello della cooperazione per limitare piuttosto che aumentare l’azione. Qui esaminiamo queste affermazioni economiche e esaminiamo le capacità e i costi di vari metodi di lofting destinati a distribuire solfati nella bassa stratosfera, il principale metodo proposto di geoingegneria solare (Keith 2000, Crutzen 2006, National Research Council 2015).
L’iniezione di aerosol stratosferico (SAI) richiederebbe il sollevamento di centinaia di migliaia o milioni di tonnellate di materiale ogni anno ad altitudini fino a ∼ 20 km. Qui cerchiamo risposte a tre domande:

  • Se l’implementazione di SAI dovesse iniziare nel prossimo futuro con gli strumenti e le tecnologie a nostra disposizione,
  • Come potrebbe essere fisicamente realizzata tale implementazione,
  • Quanto costerebbe e potrebbe essere fatta in segreto?

National Academies of Sciences (NAS), Engineering and Medicine (1992) fornisce una prima revisione delle opzioni di implementazione SAI, ricavando prezzi dettagliati per fucili navali e due diversi sistemi di palloni (appendice Q.11). McClellan et al (2012) tentano di fornire la prima risposta esauriente a questa domanda, pubblicando i risultati di una precedente analisi dell’Aurora Flight Science Corporation (McClellan et al 2010).

Come McClellan et al (2010, 2012), e successivamente recensito da Moriyama et al (2017), esploriamo una serie di diverse tecnologie di lofting SAI e, dati i nostri criteri di missione più specifici, concludiamo che gli aerei sono l’unica opzione ragionevole. A differenza di loro, concludiamo che i business jet esistenti modificati non sono in grado di volare sopra ∼16 km, una conclusione confermata direttamente dai produttori dei jet in questione. Ciò contraddice direttamente sia McClellan et al (2010, 2012) e IPCC (2018). Quest’ultimo dimostra la grande influenza che l’analisi di McClellan et al ha avuto sulla conversazione più ampia. L’IPCC (2018) afferma che “c’è un forte consenso sul fatto che gli aerei, dopo alcune modifiche, potrebbero iniettare milioni di tonnellate di SO2 nella bassa stratosfera (∼20 km)” (capitolo 4). L’IPCC cita tre studi a sostegno di tale affermazione, tra cui McClellan et al (2012). Tuttavia, entrambi gli altri due studi, a loro volta, basano le loro conclusioni, in gran parte, sulla precedente analisi di McClellan et al. Irvine et al (2016) cita anche l’altro (Davidson et al 2012), che a sua volta cita McClellan et al (2010). Robock et al (2009) fornisce un’ulteriore analisi indipendente, esaminando le capacità dei caccia militari e delle petroliere. Siamo d’accordo con Robock et al (2009) che i caccia militari sono in grado di raggiungere ∼ 20 km, ma sono incapaci di volo sostenuto a quell’altitudine (vedi tabella 2 di seguito).

Concludiamo inoltre che nessun altro aereo esistente ha la combinazione di altitudine e capacità di carico utile richieste per la missione, portandoci invece alla progettazione di un nuovo aereo.

L’immagine è rappresentativa di cosa è la tecnica SAI per portare i particolati di SO2 nella bassa stratosfera. L’ipotesi areostato è stata scartata in quanto non resistente alle contizioni meteorologiche all’altitudine di 20 Km.

Proponiamo un tale aereo e lo chiamiamo SAI Lofter (SAIL), descrivendo le sue specifiche di base e fornendo stime dettagliate dei costi per la sua progettazione, produzione e funzionamento in uno scenario di geoingegneria solare ipotizzato di dimezzare l’aumento del forzante radiativo da una data di 15 anni. Non cerchiamo di prevedere future scoperte tecnologiche, né prevediamo i costi tra 50 o 100 anni, quando le tecnologie di distribuzione di prossima generazione sarebbero probabilmente disponibili. Inoltre, non consideriamo metodologie di geoingegneria solare diverse da SAI o materiali diversi dagli aerosol di solfato (Keith 2000, Keith et al 2016). Speriamo invece di illuminare le discussioni sui costi diretti di implementazione delle SAI sulla base delle tecnologie esistenti, facilitando così ulteriori confronti costi-benefici e fondando discussioni sul “free driver” in numeri concreti supportati da scenari di implementazione SAI basati sulla scienza e una solida ingegneria aerospaziale.

2 Scenario di distribuzione dell’aerosol stratosferico

Seguendo un’ipotesi di ricerca proposta da Keith e Irvine (2016), consideriamo uno scenario di implementazione SAI limitato (Sugiyama et al 2018) destinato a dimezzare il tasso di variazione della temperatura dal primo anno del programma in poi. Mentre un tale scenario è meno ambizioso (e meno rischioso per l’ambiente) di quelli volti a mantenere le temperature costanti da una certa data in avanti, è più ambizioso del SAI che si limita a mantenere costante il tasso di variazione della temperatura (MacMartin et al 2014).

Assumiamo inoltre un forzante radiativo antropico di 2,70 W m-2 entro il 2030, con un presunto aumento decennale di ∼0,5 W m-2 che è approssimativamente coerente con lo scenario RCP (Rappresentative Concentration Pathway) 6.0 (Moss et al 2010, IPCC 2013). Supponendo che il desiderio di dimezzare questo tasso di aumento implica la necessità che SAI riduca il forzante radiativo di ∼ 0,25 W m-2 entro la fine del primo decennio di dispiegamento. Il cambiamento implicito nelle temperature superficiali medie globali dall’implementazione di SAI è -0,2 K per decennio, con una sensibilità alla temperatura media globale presunta di 0,8 K per W m-2.

Tabella 1. Scenario SAI di base ipotizzato nei primi 15 anni di implementazione a partire da 15 anni. Le tonnellate di S trasportate sono la metà delle tonnellate di SO2 disperse.

Ci concentriamo sull’uso dei solfati di SAI, non perché siano ottimali – potrebbero non esserlo (Keith et al 2016) – ma perché il lungo record di analisi precedenti sia sull’efficacia che sui rischi della distribuzione di solfati (National Research Council 2015) li rende il miglior materiale compreso e quindi meno incerto da cui partire in questo ipotetico scenario di parziale dispiegamento. Nel caso di base, assumiamo una sensibilità alla forzatura del solfato nella parte superiore dell’atmosfera (TOA) di -0,25 W m-2 per Tg S yr-1 , un valore verso l’estremità inferiore delle stime recenti. Pierce et al (2010) stimano -0,34 W m-2 e Dai et al (2018) derivano un intervallo da meno di -0,50 a oltre-2 W m-2 per iniezioni tra 30°N e 30°S. Altre stime per diversi scenari di iniezione, convertite approssimativamente in valori TOA, vanno da -0,15 W m-2 (Kuebbeler et al 2012) a -0,33 W m-2 (Niemeier e Timmreck 2015), mentre Pitari et al (2014) mostrano i risultati dal Geoengineering Model Intercomparison Project (GeoMIP), qui approssimativamente convertito in TOA, per un punto di iniezione all’equatore compreso tra -0,47 e -0,98 W m-2.

La tabella 1 riassume lo scenario di implementazione SAI di base per i primi 15 anni di un programma che inizia tra 15 anni. L’anno 2033 è del tutto ipotetico.
Non è la data di inizio più probabile, né stiamo suggerendo che sia ottimale, ma qualsiasi implementazione molto prima sembra altamente improbabile sulla base di considerazioni scientifiche e politiche. L’implementazione successiva può significare che gli approcci qui esplorati possono essere rivisti alla luce dei nuovi sviluppi scientifici e tecnologici.

Il presunto aumento lineare e il presunto lofting di solfato allo scopo di disperdere SO2 (Smith et al 2018), implica la necessità di loft 0,1 Mt di S nel primo anno, aumentando a una velocità di ∼0,1 Mt anno− 1 linearmente in seguito. Si noti che questo è significativamente meno materiale di quanto McClellan et al (2012) abbiano ipotizzato flussi di massa di 1 o 5 Mt anno – 1 di S, presentando uno scenario di distribuzione più limitato e graduale (Sugiyama et al 2018).

Un’altra considerazione importante è la posizione per SAI. Seguendo Tilmes et al (2018a), assumiamo siti di iniezione del caso base a latitudini di 15° e 30° nord e sud dell’equatore. Questo non è un verdetto sul fatto che queste quattro latitudini siano ottimali o definitive. È un’affermazione che, se costretti a scegliere oggi, queste quattro latitudini appaiono come un buon punto di partenza per le discussioni (Kravitz et al 2017, MacMartin et al 2017, Richter et al 2017, Tilmes et al 2017, Dai et al 2018). Si noti che mentre le latitudini SAI sono importanti, le longitudini sembrano non esserlo, poiché le iniezioni a qualsiasi longitudine si mescolano rapidamente a tutte le altre. Le latitudini, nel frattempo, influenzano l’altezza delle iniezioni. A 15°N e S, possono essere necessarie iniezioni fino a ∼20 km (Pierce et al 2010). Alcuni sostengono che anche altitudini di iniezione più elevate fornirebbero un beneficio radiativo maggiore (Tilmes et al 2018b). Ai fini della definizione dello scenario di distribuzione, definiamo il tetto di servizio necessario per la piattaforma di loft a ∼20 km.

3 Revisione delle possibili tecnologie di lofting

Abbiamo intrapreso una revisione di tutte le tecnologie di lofting che sembrano plausibili come metodi per issare 0,1 Mt S ad un’altitudine fino a ∼ 20 km nel 2033. La nostra ricerca principale prevedeva il coinvolgimento diretto con i fornitori aerospaziali commerciali per ottenere quale tecnologia attuale e a breve termine piattaforme possono raggiungere a quale costo. Abbiamo incontrato o corrisposto direttamente con: Airbus, Boeing, Bombardier, Gulfstream, Lockheed Martin, Northrup Grumman; motori GE, motori Rolls Royce; Atlas Air, Near Space Corporation, Scaled Composites, The Spaceship Company, Virgin Orbit e NASA, quest’ultima per quanto riguarda la sua flotta di aerei da ricerca ad alta quota.

La tabella 2 riassume i nostri risultati sulle tecnologie di lofting. Eliminiamo le tecnologie che riteniamo non sufficientemente mature per essere utilizzate per l’implementazione tra 15 anni e quelle incapaci di raggiungere l’altitudine richiesta. Gli aerei da trasporto commerciale e militare esistenti non possono raggiungere le quote richieste, anche con modifiche estese. I business jet modificati, notati in modo prominente nello studio di McClellan et al (2010, 2012), non sono in grado di raggiungere altitudini superiori a ∼16 km. Aerostati ad alto carico utile e ad alta quota sono stati ipotizzati ma non ancora testati con successo e, in ogni caso, sono operativamente fragili, incapaci di operare in condizioni meteorologiche avverse. I tubi collegati sono ancora meno tecnologicamente maturi e ad oggi non testati. I caccia militari come l’F-15 hanno raggiunto un’altitudine di 18 km nel contesto di salite balistiche da record in condizioni ideali, ma sono incapaci di volo sostenuto o di operazioni regolari a tali altitudini.

Tra le tecnologie in grado di raggiungere la missione, i costi sono spesso proibitivi. Gli aerei ad alta quota esistenti della NASA che possono raggiungere altitudini appropriate lo fanno con carichi utili di 1 t, il che li rende molto costosi. I razzi sono destinati a raggiungere altitudini 15-25 volte superiori a quelle necessarie per raggiungere la stratosfera inferiore, rendendoli entrambi inadatti ed estremamente costosi. Anche se i costi unitari dell’enorme SpaceX Falcon Heavy sono stati ridotti del 95% per tenere conto del rapporto tra la sua normale altitudine target e i 20 km assunti qui, è ancora circa 50 volte più costoso di SAIL. I palloni e i grandi cannoni in stile navale sono alternative valide e plausibili, ma i loro costi per tonnellata sono almeno 10 volte superiori a quelli che stimiamo per SAIL.

La tabella 2 mostra anche McClellan et al (2010, 2012) nuovi velivoli ad alta quota, che postulano un costo per tonnellata simile a quello di SAIL. Sebbene deriviamo un costo unitario simile, i numeri di SAIL si applicano ai primi anni di dispiegamento, mentre McClellan et al considerano masse annuali sia di 1 che di 5 Mt, quest’ultima delle quali implica un programma più ampio e maturo che potrebbe aver raggiunto economie sostanziali di scala. Per riferimento, la nostra stima è che una piattaforma di seconda generazione con lo stesso loft di 5 Mt anno-1 potrebbe avere costi unitari inferiori di almeno il 20% rispetto ai $ 1400 calcolati qui per una tecnologia SAIL di prima generazione.

4 SAI loft (VELA)

Data l’apparente inadeguatezza delle tecnologie esistenti, in particolare delle modifiche precedentemente ritenute adeguate agli aeromobili esistenti (McClellan et al 2010, 2012), proponiamo un nuovo velivolo con ali sproporzionatamente grandi rispetto alla sua fusoliera stretta.

Descriviamo anche i requisiti della flotta di aeromobili e calcoliamo i costi di sviluppo e distribuzione dal concepimento fino all’anno 15 dell’ipotetico programma.

4.1. Design

L’aeromobile è progettato per soddisfare i requisiti presunti descritti nella sezione 3 di cui sopra. In particolare, è in grado di effettuare voli livellati a un’altitudine di ∼ 20 km mentre trasporta un carico utile di 25 tonnellate, abbastanza grande da ridurre significativamente i costi operativi rispetto agli aerei ad alta quota esistenti, ma abbastanza piccolo da rendere possibile la missione. Abbiamo sviluppato il design con il contributo diretto di molte delle aziende aerospaziali e di motori consultate. Presuppone un nuovo design del velivolo, ma utilizza motori a basso bypass preesistenti modificati, che, sebbene sfavoriti nel servizio commerciale a causa della loro ridotta efficienza del carburante, funzioneranno meglio ad alta quota.

Tabella 2. Confronto tra costi e capacità delle tecnologie di loft.

In linea di massima, SAIL è equivalente in peso a un grande aereo passeggeri a fusoliera stretta come l’A321, o in termini di Boeing, di dimensioni comprese tra il 737-800 e il 757-200. Per sostenere il volo livellato nell’aria sottile incontrata ad altitudini che si avvicinano a ∼ 20 km, SAIL richiede circa il doppio dell’area alare di un aereo di linea di dimensioni equivalenti e il doppio della spinta, con quattro motori invece di due. (Mentre i requisiti di spinta massima della maggior parte degli aerei sono definiti dal decollo, i motori di SAIL sono configurati per funzionare ad alta quota.) Allo stesso tempo, la sua fusoliera sembrerebbe tozza e stretta, dimensionata per ospitare una massa pesante ma densa di zolfo fuso piuttosto che il grande volume di spazio e aria necessari per il comfort dei passeggeri. SAIL avrebbe quindi un’apertura alare notevolmente più ampia della lunghezza. La sua fusoliera compatta, tuttavia, si troverebbe dietro una cabina di pilotaggio convenzionale.

Mentre è facile immaginare che SAIL migri nel tempo verso i cockpit senza pilota, con le attuali regole di certificazione, sarebbe sostanzialmente più veloce e quindi più economico certificare l’aereo con i piloti a bordo.

In particolare, il progetto preliminare di SAIL prevede una lunghezza di ∼46 m, un’apertura alare di 55 m e un’area alare di ∼250 m 2 , con un allungamento di ∼12:1.

Il carico utile strutturale massimo sarebbe ∼25 t, con peso massimo al decollo (MTOW) di 100 t, peso a vuoto operativo (OEW) di ∼50 t e carico massimo di carburante di ∼32 t. L’aereo avrebbe 4 motori a basso bypass montati sulle ali, modificati per operazioni ad alta quota con una spinta al decollo aggregata di 25-30 t e un rapporto spinta-peso di 30%. (GE Engines considera adeguato il suo motore F118, osservando che alimenta l’aereo NASA Global Hawk ad altitudini simili; il suo motore Passport 20 potrebbe essere altrettanto capace. Rolls Royce suggerisce i suoi motori BR710 o BR725). Il progetto richiederà un quinto ausiliario della linea centrale più piccolo unità di potenza per lo spurgo dell’aria e la combustione a bordo del carico utile di zolfo fuso.

Ciò evidenzia un altro vantaggio degli aerei come piattaforma di loft, poiché possono sfruttare il sistema di combustione di bordo da S a SO2 esplorato da Smith et al (2018). Lofting S dimezzerebbe il carico utile richiesto rispetto al lofting SO2. Inoltre S è una sostanza meno pericolosa dell’SO2 da maneggiare a terra o da affrontare in caso di incidente. Altri possibili metodi di lofting come palloni e cannoni non potrebbero adattarsi a questa conversione in situ con le tecnologie esistenti e, pertanto, avrebbero bisogno di loft di SO2 con il doppio della massa del carico utile di SAIL.

Tabella 3. Flotta totale e attività di volo per anno di impiego ipotizzato.

SAIL è progettato per un tetto di servizio di 20 km, con un’altitudine massima fino a ∼19,8 km in una missione tipica. Ogni missione durerebbe ∼5 h, con 2 h di salita e discesa ciascuna, più ∼1 h sulla stazione. Le ∼2 h per il tempo di salita e discesa collocano SAIL ragionevolmente tra le prestazioni del Global Hawk e dell’U2/ER2. Ciò presuppone un carico utile 25 t e una conversione di S in SO2 a ∼0,5 t S al minuto. I voli operativi vengono effettuati all’andata e al ritorno alla stessa base, con un’autonomia di ∼ 4500 km per ogni aereo al massimo carico utile. Mentre Tilmes et al (2018b) hanno notato che le iniezioni ad altitudini superiori di 5 km aggiungerebbe forse il 50% al beneficio radiativo derivato dagli aerosol dispiegati, SAIL e velivoli simili che utilizzano la tecnologia dei motori convenzionali per trasportare grandi carichi utili non sono in grado di superare sostanzialmente ∼ 20 km.

Il progetto prevede 2 piloti più 1 operatore del carico utile e ospita 1 soprannumerario, possibilmente un osservatore scientifico. Fondamentalmente, non ci sono passeggeri, il che semplifica la certificazione normativa per l’aereo di nuova concezione. SAIL avrebbe una sola missione e al massimo una manciata di operatori. Traghetti e voli di posizionamento a parte, ci si può aspettare che SAIL voli solo in alcuni corridoi aerei remoti, probabilmente consentendogli di operare come aereo sperimentale in una categoria ristretta senza una certificazione commerciale completa. Ciò a sua volta ridurrebbe sostanzialmente i costi di sviluppo.

4.2. Flotta

Calcoliamo che nell’anno 1 del programma di dispiegamento (presumibilmente nel 2033), la flotta SAIL richiederebbe 8 nuovi velivoli tra cui un aereo di riserva pronto per il volo in ciascuna delle due basi iniziali. Ciò presuppone che un pezzo di ricambio non influenzi sostanzialmente le nostre stime dei costi. La tabella 3 riassume la flotta VELA e l’attività nei primi 15 anni di impiego.

Tale scenario presuppone anche che entro l’anno 2016, la tecnologia SAIL di “prima generazione” sia soppiantata da una soluzione di loft di seconda generazione per la quale sarebbero spese somme di sviluppo molto più elevate per ottenere costi operativi successivi sostanzialmente inferiori. In seguito non sarebbero state prodotte nuove SAIL, sebbene la flotta SAIL esistente avrebbe esaurito la sua durata di vita economicamente utile residua. Consideriamo quindi i costi di sviluppo di questa tecnologia SAIL di prima generazione, che iniziano 7 anni prima dell’anno 1 del programma, ma non includiamo costi di sviluppo aggiuntivi per perfezionare o soppiantare ulteriormente la tecnologia.

4.3. Costi di sviluppo

Stimiamo costi totali di sviluppo di 2 miliardi di dollari per la cellula e ulteriori 350 milioni di dollari per la modifica dei motori esistenti a basso bypass. Questi numeri sono verso l’estremità inferiore della gamma di McClellan et al (2010, 2012) da $ 2,1 a $ 5,6 miliardi e significativamente al di sotto delle stime degli studenti della TU Delft di $ 14 miliardi per il suo aeroplano di geoingegneria aerosol stratosferico appositamente costruito, o SAGA (Design Synthesis Exercise Gruppo 2 2016). I primi basano le loro stime in gran parte sul modello Development and Procurement Costs of Aircraft (DAPCA) della RAND Corporation sviluppato per la prima volta negli anni ’60 e ’70 (Boren 1976, Raymer 1999). Questi ultimi utilizzano McClellan et al (2010, 2012) e quindi DAPCA indirettamente, come un punto di dati, ma considerano anche un accumulo più granulare dei costi di sviluppo per categoria e infine confrontano quei numeri con il budget di sviluppo per l’A380. Arriviamo ai nostri numeri sviluppando il progetto preliminare dell’aeromobile descritto nella sezione 4.1 e quindi preventivando gli elementi di quel progetto in una serie di conversazioni personali con i fornitori commerciali pertinenti.

Tra i risultati importanti derivati ​​da tale approccio c’era che mentre sia McClellan et al che TU Delft hanno dedicato circa la metà del loro budget di sviluppo allo sviluppo di nuovi motori, abbiamo trovato diversi motori preesistenti che possono alimentare SAIL, sebbene con modifiche sostanziali per tenere conto delle operazioni ad alta quota.

Sottolineiamo i programmi di sviluppo di velivoli commerciali come punti dati rilevanti, poiché è molto diverso e significativamente più costoso progettare un velivolo flessibile per una serie di operazioni commerciali piuttosto che progettare un piccolo lotto di velivoli speciali come SAIL che è destinato a un nuovo ma missione molto specifica. SAIL deve dimostrare di poter adempiere alla sua missione, ma il suo processo di test e certificazione non ha bisogno di esplorare l’intero inviluppo di volo per determinare la gamma di operazioni per le quali una varietà di operatori potrebbe utilizzare l’aeromobile. Inoltre, SAIL non ha bisogno di competere con altri aeromobili sulla base dei costi operativi. In questi sensi è più simile a un esercizio di progettazione militare: ciò che conta è che l’aereo possa raggiungere la missione specificata, ma l’ottimizzazione dei costi operativi è una considerazione sostanzialmente minore.

Gran parte dei costi di progettazione, certificazione e collaudo per produttori commerciali come Boeing, Airbus e Bombardier risiede nell’ottimizzazione dei costi operativi dell’aeromobile riducendo la resistenza, il consumo di carburante e i costi di manutenzione, aumentando al contempo l’affidabilità operativa. Queste stesse considerazioni sarebbero applicabili ad una soluzione lofting SAI di seconda generazione, quando (e se) l’opportunità di questo intervento è stata dimostrata e le masse lofted devono essere sostanzialmente maggiori. Potrebbe trattarsi di un velivolo più avanzato e potenzialmente senza pilota, o di una tecnologia di lofting non aeronautica. La soluzione di prima generazione, d’altra parte, favorirebbe velivoli sperimentali “veloci ed economici” per una missione sperimentale.

Inoltre, è improbabile che la piccola produzione di SAIL attiri i più grandi sviluppatori di cellule del mondo ed è più probabilmente la provincia dei progettisti di velivoli sperimentali. Due di queste società hanno esaminato le specifiche SAIL dettagliate e hanno contribuito alla conclusione che i costi di sviluppo per SAIL sarebbero inferiori al budget di 300 milioni di dollari riportato per Stratolaunch (Foust 2011), l’enorme catamarano attualmente in costruzione con i finanziamenti del compianto Paul Allen. Dato che il MTOW di Stratolaunch di 650 t è più di 6 volte quello di SAIL, un budget di 250 milioni di dollari per l’aereo dimostrativo sembra generoso. I costi dei test per una certificazione di categoria ristretta, nel frattempo, aumenterebbero da due a tre volte tanto, portando il budget totale della cellula da $ 0,75 a $ 1 miliardo. Arriviamo alla nostra cifra di sviluppo della cellula di $ 2 miliardi prendendo la fascia alta della gamma e raddoppiandola arbitrariamente per tenere conto della storia consolidata di superamento dei costi nei programmi di sviluppo degli aeromobili.

A questo budget della cellula abbiamo aggiunto $ 350 milioni per modifiche e test del motore, che le comunicazioni personali con Rolls Royce indicano sarebbero sufficienti per destinare uno dei suoi motori esistenti a questo programma.
Sia Scaled Composites che The Spaceship Company stimano che cinque anni siano il periodo di sviluppo migliore e suggerirebbero di destinare 7 anni dall’inizio di un programma interamente finanziato attraverso la certificazione nelle giurisdizioni pertinenti e l’entrata in servizio del primo velivolo di produzione.

Tutto ciò presuppone un programma di sviluppo deliberato ma standard, piuttosto che uno sforzo drastico inteso a schierare SAI il prima possibile in risposta a una crisi (percepita). Un tale sforzo di dispiegamento in stile militare potrebbe tagliare diversi anni dalla presunta fase di sviluppo di 7 anni e bypassare il processo di certificazione civile richiesto, aumentando sostanzialmente i costi.

4.4. Costi operativi

Costruiamo un budget operativo SAIL utilizzando convenzioni di modellazione e fattori di costo comuni all’industria del trasporto aereo, comprese le ipotesi di finanziamento degli aeromobili.

La tabella 4 dettaglia le ipotesi sui costi operativi di SAIL basate sui relativi driver di costo. Assumiamo $ 2,00 al gallone per il carburante, che comprende uno dei maggiori elementi di costo operativo, mentre il costo dello zolfo comprende solo il 3% del budget. Assumiamo un costo di $80/t per S fuso (US Geological Survey 2018, pp 160–161) con un presunto costo aggiuntivo di $20/t per il trasporto.

Assumiamo che il costo marginale medio (escludendo l’ammortamento dei costi di sviluppo) per ogni velivolo aggiuntivo sia di $ 100 milioni, approssimativamente uguale al prezzo di acquisto effettivo (rispetto al prezzo di listino) dei cargo B767-300 e A330, entrambi con circa due volte l’OEW di SAIL. Ciò presuppone che gli aeromobili SAIL avranno un prezzo elevato rispetto ai concorrenti OEW come l’A321 a causa del volume di produzione previsto molto più basso.

Dato che i bassi tassi di produzione annuale di aeromobili non faciliteranno l’ottimizzazione della linea di produzione, assumiamo prudentemente che il tempo di costruzione di un aereo SAIL sia di due anni. Ciò implica che prima dell’inizio delle operazioni, il programma avrà finanziato non solo gli 800 milioni di dollari necessari per il complemento iniziale di 8 velivoli, ma ulteriori 300 milioni di dollari in pagamenti progressivi per gli ulteriori sei velivoli richiesti nell’anno 2.

Oltre ai costi di capitale pre-avvio, assumiamo la necessità di un aggregato di $ ∼ 40 milioni per finanziare un’entità amministrativa che gestirà il programma di sviluppo dell’aeromobile durante il suo ciclo di gestazione di sette anni, nonché per pianificare l’inizio di operazioni. Durante i due anni immediatamente precedenti l’implementazione, sarà richiesta una somma ancora maggiore per i costi di avviamento come l’assunzione e la formazione del personale, la creazione di basi, l’approvvigionamento dell’inventario e la certificazione delle compagnie aeree che effettueranno effettivamente i voli.

Stimiamo che il capitale richiesto a questo scopo sia il 50% del budget operativo del primo anno, esclusi i costi di capitale dell’aeromobile, una somma pari a circa $ 100 milioni.

La tabella 5 riassume i requisiti patrimoniali totali di SAIL durante la presunta fase di sviluppo di sette anni e i primi 15 anni di attività. I requisiti patrimoniali pre-distribuzione totali sono $ 3,6 miliardi.

Tutti i costi (pre-avvio e operativi) fino all’anno 5 sono di ∼ $ 10 miliardi. I costi totali fino all’anno 15 sono di 36 miliardi di $.

Tabella 4. Ipotesi sui costi operativi di SAIL.

I costi operativi totali nella tabella 5 presentano i costi operativi annuali risultanti, inclusi i costi di capitale per l’approvvigionamento della flotta e l’ammortamento dei costi di sviluppo totali. Tutto sommato, i costi operativi dell’anno 1 sono $ 310 milioni, aumentando annualmente in proporzione approssimativa alle crescenti masse di distribuzione. I costi unitari per t SO2 distribuito diminuiscono leggermente ogni anno a causa delle economie di scala accumulate ma limitate. Sia i costi operativi medi semplici che quelli medi ponderati sono ∼$ 1400/t SO2 distribuito, nel 2018 US $. Ciò pone i costi totali ben al di sotto di qualsiasi altra tecnologia alternativa attualmente disponibile e approssimativamente equivalente alla stima del costo unitario di McClellan et al (2010, 2012) $ 1500/t per 1 Mt distribuito tramite il suo nuovo programma di aeromobili proposto. Per le ragioni sopra esposte, abbiamo molta più fiducia nella nostra stima. Sebbene $ 1400/t possano trasmettere un falso senso di precisione, siamo fiduciosi di concludere che i costi operativi medi sono <∼ $ 1500/t di SO2 distribuito durante i primi 15 anni di un’implementazione che mira a compensare metà dell’aumento del forzante radiativo , a partire da 15 anni da qui.

4.5. Analisi di sensibilità

La tabella 6 mostra la sensibilità delle principali metriche finanziarie alle variazioni dei vari input assunti. In generale, i costi per tonnellata distribuita si dimostrano altamente coerenti tra gli scenari. Le tonnellate impiegate variano in modo sostanziale, portando a grandi variazioni nei costi operativi annui totali.

Tabella 5. Requisiti di capitale SAIL ipotizzati e costi operativi annuali ($ m) relativi all’anno di distribuzione, incluso il costo per t SO2 dispiegato ($k).

Tabella 6. Sensibilità del costo medio per t SO 2 distribuito ($), costo totale per 15 anni (miliardi di $) e costi di sviluppo totali (miliardi di $) a varie ipotesi di input.

Conclusione

La geoingegneria solare è spesso descritta come “veloce, economica e imperfetta” (Keith et al 2010, Mahajan et al 2018).

Lo scenario di dispiegamento qui presentato assume il primo, sebbene chiarisca che “veloce” in questo contesto si riferisce all’immediatezza dell’impatto che deriverebbe dallo spiegamento, non necessariamente alla rampa di dispiegamento, che, a meno di un incidente di tipo militare scenario di distribuzione al di fuori del presente studio, richiederebbe diversi anni. Questo documento conferma ulteriormente “economico”, ma non dice nulla su “imperfetto”. Qui non esprimiamo alcun giudizio sull’opportunità di SAI. Mostriamo semplicemente che un ipotetico programma di implementazione che inizi tra 15 anni, sebbene sia altamente incerto e ambizioso, sarebbe davvero tecnicamente possibile da una prospettiva ingegneristica. Sarebbe anche notevolmente poco costoso.

I costi totali di pre-avvio per avviare un ipotetico sforzo SAI tra 15 anni sono ∼ $ 3,5 miliardi nel 2018 US $. Un programma che dispiegherebbe 0,2 Mt di SO 2 nell’anno 1 e successivamente aumenterà in modo lineare a 0,2 Mt di SO 2 all’anno richiederebbe costi operativi medi annui di ∼ $ 2,25 miliardi all’anno in 15 anni. Sebbene queste cifre includano tutti i costi di sviluppo e operativi diretti, non includono alcun costo indiretto come il monitoraggio e la misurazione degli impatti dell’implementazione di SAI, portando Reynolds et al (2016) a chiamare i bassi costi di SAI un “tropo” della geoingegneria solare che ha ‘ha superato il suo benvenuto’. La stima di tali numeri è altamente speculativa. Keith et al (2017), tra gli altri, prendono semplicemente l’intero budget del Programma di ricerca sul cambiamento globale degli Stati Uniti di 3 miliardi di dollari all’anno come approssimazione approssimativa (Our Changing Planet 2016), più che raddoppiando le nostre stime medie annuali di distribuzione.

Sia che il numero annuale sia $ 2,25 o $ 5,25 miliardi per dimezzare l’aumento medio previsto del forzante radiativo da una data particolare in poi, questi numeri confermano le precedenti stime basse che invocano “l’incredibile economia” della geoingegneria solare (Barrett 2008) e le descrizioni dei suoi ” proprietà del conducente gratuito (Wagner e Weitzman 2012, 2015, Weitzman 2015).

Decine di paesi avrebbero sia le competenze che i soldi per lanciare un programma del genere. Circa 50 paesi hanno budget militari superiori a $ 3 miliardi, con 30 superiori a $ 6 miliardi (Stockholm International Peace Research Institute 2017).

Ulteriore discussione

Il basso costo di SAI e le sue proprietà di “guida libera” che ne derivano spesso provocano un notevole disagio (Burns et al 2016, Lawrence e Crutzen 2017). Sebbene in gran parte non dichiarato, una possibile preoccupazione che potrebbe essere alla base di questo disagio è ciò che si potrebbe chiamare un programma di distribuzione presunte proprietà di “guida segreta”: la prospettiva che l’implementazione di SAI anche su larga scala possa rimanere inosservata (Dalby 2014, Hamilton 2014, Stilgoe 2015).

Concentrandosi su un programma di implementazione maturo di 5 Mt SO2 anni-1, Lo et al (2016) esamina i metodi con cui rilevare le particelle di aerosol dispiegate. Invece, qui ci concentriamo sulla rilevabilità del programma di distribuzione.
Diremmo che dozzine di grandi velivoli che effettuano molte migliaia di voli all’anno da più basi in diversi paesi renderebbero facilmente rilevabile un tale programma. Questo può valere anche nel primo anno.

Un dispiegamento ipotizzato di 0,2 Mt SO2 anni-1 coinvolge una flotta iniziale di 8 velivoli appositamente costruiti che volano ∼ 4000 voli, un’attività di volo troppo grande per non essere rilevata.

Inoltre, mentre la longitudine dell’iniezione conta poco, studi recenti mostrano l’efficacia notevolmente migliorata della SAI a diverse latitudini. Il nostro scenario ipotetico assume basi a 30°N, 15°N, 15°S e 30°S. Nessun paese si avvicina ad abbracciare un simile territorio. Nelle Americhe, le basi rappresentative includerebbero Houston a 29,8°N e la punta più settentrionale dell’Uruguay a 30,2°S. Le basi africane si estenderebbero su quasi l’intero continente, con Il Cairo, in Egitto, a 30,0°N e Durban, in Sudafrica, a 29,9°S. Qualsiasi operazione del genere richiederebbe il coordinamento tra diversi paesi sia nell’emisfero settentrionale che in quello meridionale, vanificando ulteriormente la prospettiva che rimanga un segreto.

Tutto quanto sopra presuppone tuttavia che un attore razionale cerchi di implementare un programma SAI scientificamente sensato in un modo ragionevolmente efficiente in termini di costi. Un attore meno cauto o trasparente potrebbe ancora schierare SAI da una singola isola equatoriale nel mezzo del Pacifico ed eludere il rilevamento? Un tale attore si schiererebbe direttamente sopra la testa o volerebbe alle latitudini precedentemente proposte e si schiererebbe lì. Entrambi gli scenari creano un serio compromesso tra efficienza operativa e costi da un lato e presunta “segretezza” dall’altro. Una minore efficienza per l’implementazione diretta di ISC sopra l’equatore (Dai et al 2018) implica un carico utile sostanzialmente più distribuito per lo stesso impatto climatico.

Più carico utile richiede aerei più o più grandi e più voli, rendendo il programma più facilmente rilevabile. Nel frattempo, il lancio di operazioni da una base ma l’iniezione a 15 e 30,0°N e °S o vicino richiede tratte di volo fino a 2000 miglia a nord ed a sud su acque internazionali, se non nello spazio aereo straniero. Questo, a sua volta, allungherà i voli e raddoppierà all’incirca sia il numero di velivoli necessari sia il costo complessivo del regime di dispiegamento, rendendo più remota la probabilità di un programma segreto.

Passando dai mezzi al movente, mentre speriamo di dimostrare qui che nessun programma SAI globale potrebbe ragionevolmente aspettarsi di mantenere la segretezza, consideriamo anche chi, se qualcuno, potrebbe desiderare di implementare un programma così nascosto. Per uno, SAI è di effetto globale, se non di implementazione (Keith 2000). SAI, quindi, non è un’arma di precisione. Inoltre, a giudicare da motivazioni puramente commerciali, è difficile vedere come si possa utilizzare il SAI esclusivamente per un guadagno locale senza innescare ricadute globali sostanziali, sia negative che positive. Mentre potrebbe esserci una lunga lista di appaltatori che farebbero offerte con entusiasmo per vendere hardware, forniture e servizi per un’impresa SAI, e potrebbe anche esserci un ruolo per i brevetti lungo quella catena di approvvigionamento (Reynolds et al 2017, 2018), crediamo fermamente che i profitti commerciali non devono essere un fattore motivante in qualsiasi decisione su se, quando, dove e come implementare SAI. Qualsiasi entità che intenda progettare il clima dell’intero globo deve agire – ed essere vista agire – esclusivamente per considerazioni umanitarie e ambientali non offuscate da aspirazioni di guadagno finanziario diretto.

Ringraziamenti

Ringraziamo le persone di Airbus, Atlas Air, Boeing, Bombardier, GE Engines, Gulfstream, Lockheed Martin, NASA, Near Space Corporation, Northrup Grumman, Rolls Royce Engines, Scaled Composites, The Spaceship Company e Virgin Orbit per i contributi alla nostra analisi. Ringraziamo Elizabeth Burns, Zhen Dai, David Keith, Doug MacMartin, Jesse Reynolds e Trude Storelvmo per utili commenti e discussioni.

Interessi conflittuali

WS ha iniziato a lavorare su questa analisi in modo indipendente. Successivamente è diventato un donatore del Solar Geoengineering Research Project di Harvard, co-diretto da GW.

ID ORCID

Gernot Wagner https://orcid.org/0000-0001-6059-0688

Fonte del documento

https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1748-9326/aae98d/pdf

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