Tattiche e costi dell'iniezione di aerosol stratosferico nei primi 15 anni di implementazione

Wake Smith1 e Gernot Wagner2

Lettere di ricerca ambientale, volume 13, numero 12

citazione Wake Smith e Gernot Wagner 2018 Environ. Res. Lett. 13 124001

DOI 10.1088/1748-9326/aae98d

Riassunto

Esaminiamo le capacità e i costi di vari metodi di lofting destinati a fornire solfati nella stratosfera inferiore. Delineiamo un futuro scenario di dispiegamento della geoingegneria solare per dimezzare l'aumento del forzante radiativo antropogenico a partire da qui a 15 anni, dispiegando materiale ad altitudini fino a ∼20 km. Dopo aver esaminato un elenco esaustivo di potenziali tecniche di dispiegamento, abbiamo optato per un sistema di consegna basato su aeromobili. A differenza dell'unico studio completo precedente sull'argomento (McClellan et al 2012 Environ. Res. Lett. 7 034019), concludiamo che nessun progetto di aeromobile esistente, anche con modifiche estese, può ragionevolmente adempiere a questa missione. Tuttavia, concludiamo anche che lo sviluppo di una nuova aerocisterna ad alta quota appositamente costruita con notevoli capacità di carico utile non sarebbe né tecnologicamente difficile né proibitivamente costoso. Calcoliamo i costi di inizio anno di ∼$1 di materiale impiegato, con costi medi di ∼$2,25 miliardi all'anno-1 nei primi 15 anni di implementazione. Calcoliamo inoltre il numero di voli a ∼4000 nel primo anno, aumentando linearmente di ∼4000 anni-1. Concludiamo sostenendo che, sebbene economico, un tale programma basato su aeromobili sarebbe improbabile che rimasse segreto, data la necessità di migliaia di voli all'anno con aerei di linea delle dimensioni di un aereo di linea che operano da una serie internazionale di basi.

Introduzione

La geoingegneria solare è comunemente vista come soggetta a quella che alcuni chiamano la sua "incredibile economia" (Barrett 2008) e, più specificamente, il suo effetto "free driver": i suoi costi diretti sono così economici rispetto ai suoi potenziali impatti climatici da invertire molte delle proprietà del cosiddetto problema del "free rider" che governa 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 frenare piuttosto che aumentare l'azione. Qui esaminiamo queste affermazioni economiche e esaminiamo le capacità e i costi di vari metodi di lofting destinati a dispiegare solfati nella stratosfera inferiore, il principale metodo proposto di geoingegneria solare (Keith 2000, Crutzen 2006, National Research Council 2015). L'iniezione di aerosol stratosferico (SAI) richiederebbe l'invio di centinaia di migliaia o milioni di tonnellate di materiale ogni anno ad altitudini fino a ∼20 km. Qui cerchiamo di rispondere a tre domande: se l'implementazione delle ISC dovesse iniziare nel prossimo futuro con gli strumenti e le tecnologie a nostra disposizione, come verrebbe realizzata fisicamente tale implementazione, quanto costerebbe e potrebbe essere fatta in segreto?

La National Academies of Sciences (NAS), Engineering and Medicine (1992) fornisce una prima rassegna delle opzioni di dispiegamento SAI, ricavando prezzi dettagliati per i fucili navali e due diversi sistemi di palloni aerostatici (appendice Q.11). McClellan et al (2012) tentano di fornire la prima risposta completa 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 jet privati esistenti modificati non sono in grado di volare al di sopra di ∼16 km, una conclusione confermata direttamente dai produttori dei jet in questione.

Questo contraddice direttamente sia McClellan et al (2010, 2012) che 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 aeromobili, dopo alcune modifiche, potrebbero iniettare milioni di tonnellate di SO2 nella stratosfera inferiore (∼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 i 20 km, ma non sono in grado di volare a quell'altitudine (vedi tabella 2 sotto).

Concludiamo inoltre che nessun altro velivolo esistente ha la combinazione di altitudine e capacità di carico utile necessarie per la missione, portandoci invece alla progettazione di un nuovo aereo. 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 un ipotizzato scenario di geoingegneria solare di dimezzare l'aumento del forzante radiativo da una data di 15 anni dopo. Non cerchiamo di prevedere le future scoperte tecnologiche, né ipotizziamo i costi tra 50 o 100 anni, quando le tecnologie di distribuzione di prossima generazione saranno probabilmente disponibili. Inoltre, non consideriamo metodologie di geoingegneria solare diverse dal 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 tra costi e benefici e mettendo a terra le discussioni "free driver" in numeri concreti supportati da scenari di implementazione delle SAI basati sulla scienza e da una solida ingegneria aerospaziale.

2. Scenario di dispiegamento di aerosol stratosferico

A seguito di 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. Sebbene un tale scenario sia meno ambizioso (e meno rischioso dal punto di vista ambientale) rispetto a quelli volti a mantenere costanti le temperature da una certa data in poi, 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 guidato dall'antropogenica di ∼2,70 W m−2 entro il 2030, con un aumento decennale ipotizzato di ∼0,5 W m−2 che è approssimativamente coerente con lo scenario del Representative Concentration Pathway (RCP) 6.0 (Moss et al 2010, IPCC 2013). Supponendo che il desiderio di dimezzare questo tasso di aumento implichi la necessità per SAI di ridurre il forzante radiativo di ∼0,25 W m-2 entro la fine del primo decennio di dispiegamento. La variazione implicita delle temperature superficiali medie globali dovuta all'impiego di SAI è di -0,2 K per decennio, con una sensibilità alla temperatura media globale assunta di 0,8 K per W m-2.

Ci concentriamo sull'uso di solfati da parte dei SAI, non perché siano ottimali (Keith et al 2016) ma perché la lunga serie di analisi precedenti sia sull'efficacia che sui rischi dell'impiego di solfato (National Research Council 2015) li rende il materiale meglio compreso e quindi meno incerto con cui iniziare in questo ipotetico scenario di distribuzione parziale. Nel caso base, assumiamo una sensibilità al solfato superiore dell'atmosfera (TOA) di -0,25 W m−2 per Tg S anno-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) ricava 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, approssimativamente convertite in valori di 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 del Geoengineering Model Intercomparison Project (GeoMIP), qui approssimativamente convertito in TOA, per un punto di iniezione all'equatore che va da -0,47 a -0,98 W m-2.

La tabella 1 riassume lo scenario di base per l'implementazione di SAI 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 dispiegamento molto prima sembra altamente improbabile sulla base di considerazioni scientifiche e politiche. Una successiva diffusione potrebbe significare che gli approcci qui esplorati possono essere rivisti alla luce dei nuovi sviluppi scientifici e tecnologici.

L'ipotizzato ramp-up lineare e l'assunto lofting del solfato allo scopo di disperdere SO2 (Smith et al 2018), implica la necessità di loft di ∼0,1 Mt di S nel primo anno, aumentando a un tasso di ∼0,1 Mt anno-1 linearmente in seguito. Si noti che questo è significativamente meno materiale rispetto ai flussi di massa ipotizzati da McClellan et al (2012) di 1 o 5 Mt anno-1 di S, presentando uno scenario di dispiegamento 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 nel 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 contano, le longitudini sembrano non esserlo, poiché le iniezioni a qualsiasi longitudine si mescolano rapidamente con 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 altitudini di iniezione ancora più elevate fornirebbero un maggiore beneficio radiativo (Tilmes et al 2018b). Ai fini della definizione dello scenario di dispiegamento, definiamo il soffitto di servizio necessario per la piattaforma di sollevamento a ∼20 km.

3. Rassegna di possibili tecnologie di lofting.

Abbiamo intrapreso una revisione di tutte le tecnologie di lofting che sembrano plausibili come metodi per sollevare 0,1 Mt S a un'altitudine fino a ∼20 km nel 2033. La nostra ricerca principale ha riguardato l'impegno diretto con i fornitori aerospaziali commerciali per ottenere ciò che le piattaforme tecnologiche attuali e a breve termine possono ottenere 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 il dispiegamento tra 15 anni e quelle che non sono in grado di raggiungere l'altitudine richiesta. Gli aerei da trasporto commerciali e militari esistenti non possono raggiungere le altitudini richieste, anche con modifiche estese. I jet private modificati, evidenziati in modo prominente nello studio di McClellan et al (2010, 2012), non sono in grado di raggiungere altitudini superiori a ∼16 km. Gli aerostati ad alta quota sono stati ipotizzati ma non ancora testati con successo e, in ogni caso, sono fragili dal punto di vista operativo, incapaci di operare in condizioni meteorologiche avverse. I tubi flessibili legati sono ancora meno maturi dal punto di vista tecnologico e ad oggi non sono stati testati. I caccia militari come l'F-15 hanno raggiunto altitudini di ∼18 km nel contesto di salite balistiche da record in condizioni ideali, ma non sono in grado né di volare a lungo né di operare regolarmente a tali altitudini.

a Vedere la sezione 4 per le derivazioni dei costi. b Presuppone un programma che distribuisce ∼1 Mt anno-1. Rapporto degli studenti c TU Delft sullo sviluppo di SAGA, l'aereo di geoingegneria ad aerosol stratosferico (Design Synthesis Exercise Group 2 2016). dComunicazioni personali con individui presso le rispettive entità. e Ridotto del 95% per tenere conto dell'altitudine target di 20 km rispetto ai 200 km per l'orbita terrestre; Le stime di Chang (2018) per Vector Rocket confermate da Vector Launch. f McClellan et al (2010, 2012) e l'analisi degli autori (vedi testo). g Analisi degli autori (vedi testo), compresa, per i combattenti militari, la comunicazione personale con Boeing, Lockheed Martin e Northrup Grumman. h Comprese le petroliere militari esistenti.

L'ipotizzato ramp-up lineare e l'assunto lofting del solfato allo scopo di disperdere SO2 (Smith et al 2018), implica la necessità di loft di ∼0,1 Mt di S nel primo anno, aumentando a un tasso di ∼0,1 Mt anno-1 linearmente in seguito. Si noti che questo è significativamente meno materiale rispetto ai flussi di massa ipotizzati da McClellan et al (2012) di 1 o 5 Mt anno-1 di S, presentando uno scenario di dispiegamento 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 nel 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 contano, le longitudini sembrano non esserlo, poiché le iniezioni a qualsiasi longitudine si mescolano rapidamente con 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 altitudini di iniezione ancora più elevate fornirebbero un maggiore beneficio radiativo (Tilmes et al 2018b). Ai fini della definizione dello scenario di dispiegamento, definiamo il soffitto di servizio necessario per la piattaforma di sollevamento a ∼20 km.

3. Rassegna di possibili tecnologie di lofting.

Abbiamo intrapreso una revisione di tutte le tecnologie di lofting che sembrano plausibili come metodi per sollevare 0,1 Mt S a un'altitudine fino a ∼20 km nel 2033. La nostra ricerca principale ha riguardato l'impegno diretto con i fornitori aerospaziali commerciali per ottenere ciò che le piattaforme tecnologiche attuali e a breve termine possono ottenere 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 il dispiegamento tra 15 anni e quelle che non sono in grado di raggiungere l'altitudine richiesta. Gli aerei da trasporto commerciali e militari esistenti non possono raggiungere le altitudini richieste, anche con modifiche estese. I jet private modificati, evidenziati in modo prominente nello studio di McClellan et al (2010, 2012), non sono in grado di raggiungere altitudini superiori a ∼16 km. Gli aerostati ad alta quota sono stati ipotizzati ma non ancora testati con successo e, in ogni caso, sono fragili dal punto di vista operativo, incapaci di operare in condizioni meteorologiche avverse. I tubi flessibili legati sono ancora meno maturi dal punto di vista tecnologico e ad oggi non sono stati testati. I caccia militari come l'F-15 hanno raggiunto altitudini di ∼18 km nel contesto di salite balistiche da record in condizioni ideali, ma non sono in grado né di volare a lungo né di operare regolarmente a tali altitudini.

Il progetto richiederà una quinta unità di alimentazione ausiliaria più piccola per lo spurgo dell'aria e la combustione a bordo del carico utile di zolfo fuso. Ciò evidenzia un altro vantaggio degli aeromobili come piattaforma di lofting, poiché possono sfruttare il sistema di combustione di bordo da S a SO2 esplorato da Smith et al (2018). Il loft S dimezzerebbe il carico utile richiesto rispetto al loft SO2. Inoltre, l'S è una sostanza meno pericolosa dell'SO2 da maneggiare a terra o con cui lottare 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, quindi, avrebbero bisogno di sollevare SO2 con il doppio della massa del carico utile di SAIL.

SAIL è progettato per una quota di servizio di ∼20 km, con un'altitudine massima fino a ∼19,8 km in una missione tipica. Ogni missione sarebbe durata ∼5 ore, con ∼2 ore di salita e discesa ciascuna, più ∼1 ora sulla stazione. Il tempo di salita e discesa di ∼2 h situa SAIL ragionevolmente tra le prestazioni del Global Hawk e dell'U2/ER2. Ciò presuppone un carico utile di ∼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 aggiungerebbero forse il 50% al beneficio radiativo derivato dagli aerosol dispiegati, SAIL e velivoli simili che impiegano la tecnologia dei motori convenzionali per trasportare grandi carichi utili non sono in grado di superare sostanzialmente i 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. A parte i voli di traghetto e di posizionamento, ci si può aspettare che SAIL voli solo in pochi corridoi aerei remoti, probabilmente consentendogli di operare come velivolo sperimentale in una categoria ristretta senza una certificazione commerciale completa. Questo, a sua volta, ridurrebbe sostanzialmente i costi di sviluppo.

4.2. Flotta

Calcoliamo che nell'anno 1 del programma di dispiegamento (che si presume sia il 2033), la flotta SAIL richiederebbe 8 nuovi aeromobili, incluso un aereo di riserva pronto per il volo in ciascuna delle due basi iniziali. Ciò presuppone che un ricambio non influenzi in modo sostanziale le nostre stime dei costi. La tabella 3 riassume la flotta e l'attività SAIL nei primi 15 anni di dispiegamento.

a Include un aeromobile di riserva per base. b S bruciato in situ per disperdere 2× SO2 (vedi tabella 1). c Sono esclusi gli aeromobili di riserva.

Un tale scenario presuppone anche che entro il sedicesimo, la tecnologia SAIL di "prima generazione" sia soppiantata da una soluzione di lofting di seconda generazione per la quale verrebbero spese somme di sviluppo molto più elevate per ottenere costi operativi successivi sostanzialmente inferiori. In seguito non sarebbero stati prodotti nuovi SAIL, anche se l'attuale flotta SAIL avrebbe esaurito la sua vita economicamente utile rimanente. Consideriamo quindi i costi di sviluppo di questa tecnologia SAIL di prima generazione, a partire da 7 anni prima dell'anno 1 del programma, ma non includiamo alcun costo di sviluppo aggiuntivo per perfezionare ulteriormente o sostituire la tecnologia.

4.3. Costi di sviluppo

Stimiamo i costi totali di sviluppo di 2 miliardi di dollari per la cellula e altri 350 milioni di dollari per la modifica dei motori a basso bypass esistenti. Questi numeri sono verso l'estremità inferiore dell'intervallo 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 velivolo di geoingegneria ad aerosol stratosferico appositamente costruito, o SAGA (Design Synthesis Exercise Group 2 2016). I primi basano le loro stime in gran parte sul modello DAPCA (Development and Procurement Costs of Aircraft) 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 dati, ma considerano anche un accumulo più dettagliato 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 pianificando gli elementi di tale progetto in una serie di conversazioni personali con i fornitori commerciali pertinenti. Tra le importanti scoperte derivate da questo approccio c'è stato il fatto 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 in grado di alimentare SAIL, anche se con modifiche sostanziali per tenere conto delle operazioni ad alta quota.

Diamo meno importanza ai programmi di sviluppo di aeromobili 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 una missione nuova ma molto specifica. SAIL deve dimostrare di essere in grado di 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 in base ai costi operativi. In questo senso 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 test 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 a una soluzione di lofting SAI di seconda generazione, quando (e se) l'opportunità di questo intervento è stata dimostrata e le masse loft 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 appannaggio dei progettisti di aeromobili sperimentali. Due di queste società hanno esaminato le specifiche dettagliate di SAIL 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 velivolo catamarano attualmente in costruzione con il finanziamento del compianto Paul Allen. Dato che il MTOW di 650 t di Stratolaunch è più di 6 volte quello di SAIL, un budget di 250 milioni di dollari per l'aereo dimostratore sembra generoso. I costi dei test per una certificazione di categoria ristretta, nel frattempo, sarebbero da due a tre volte superiori, portando il budget totale della cellula da 0,75 a 1 miliardo di dollari. Arriviamo alla nostra cifra di 2 miliardi di dollari per lo sviluppo della cellula prendendo la fascia alta della gamma e raddoppiandola arbitrariamente per tenere conto della consolidata storia di sforamenti dei costi nei programmi di sviluppo degli aeromobili.

che le comunicazioni personali con Rolls Royce indicano essere sufficienti per utilizzare uno dei suoi motori esistenti in questo programma.

Sia Scaled Composites che The Spaceship Company stimano che cinque anni sia il periodo di sviluppo migliore e suggerirebbero di allocare 7 anni dall'inizio di un programma completamente 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 volto a dispiegare SAI il prima possibile in risposta a una crisi (percepita). Un tale sforzo di dispiegamento in stile militare potrebbe ridurre di diversi anni la fase di sviluppo presunta 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 al settore del trasporto aereo, comprese le ipotesi di finanziamento degli aeromobili. La Tabella 4 illustra in dettaglio le ipotesi sui costi operativi SAIL in base ai fattori di costo pertinenti. Supponiamo 2,00 dollari al gallone per il carburante, che comprende uno dei maggiori elementi dei costi operativi, mentre il costo dello zolfo rappresenta solo il 3% del budget. Assumiamo un costo di 80 $/t per lo S fuso (US Geological Survey 2018, pp 160-161) con un presunto 20 $/t aggiuntivi per il trasporto.

Presumiamo che il costo marginale medio (cioè escludendo l'ammortamento dei costi di sviluppo) per ogni aeromobile aggiuntivo sia di 100 milioni di dollari, all'incirca uguale al prezzo di acquisto effettivo (in contrapposizione al prezzo di listino) dei B767-300 e degli A330 cargo, entrambi con circa il doppio dell'OEW di SAIL. Ciò presuppone che gli aeromobili SAIL avranno un prezzo sostanziale rispetto ai concorrenti OEW come l'A321 a causa del volume di produzione previsto molto più basso.

Dato che i bassi tassi di produzione annuali di aeromobili non faciliteranno l'ottimizzazione della linea di produzione, assumiamo prudentemente che il tempo di costruzione per un velivolo 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 aeromobili, ma anche altri 300 milioni di dollari in pagamenti di avanzamento per gli ulteriori sei aeromobili richiesti nell'anno 2.

Oltre ai costi di capitale pre-avvio, presumiamo la necessità di un totale di 40 milioni di dollari per finanziare un'entità amministrativa che gestirà il programma di sviluppo dell'aeromobile nel corso del suo ciclo di gestazione di sette anni, nonché per pianificare l'inizio delle 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 della compagnia aerea o delle compagnie aeree che effettueranno effettivamente i voli. Stimiamo che il capitale richiesto a questo scopo sia pari al 50% del budget operativo del primo anno, esclusi i costi di capitale degli aeromobili, una somma pari a circa 100 milioni di dollari.

La tabella 5 riassume i requisiti di capitale SAIL totali durante la fase di sviluppo ipotizzata di sette anni e i primi 15 anni di attività. Il fabbisogno totale di capitale pre-distribuzione è di 3,6 miliardi di dollari. Tutti i costi (pre-avvio e operativi) fino all'anno 5 sono di 10 miliardi di dollari. I costi totali fino all'anno 15 sono di 36 miliardi di dollari.

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 totali di sviluppo. Tutto sommato, i costi operativi dell'anno 1 sono di 310 milioni di dollari, con un aumento annuo approssimativo proporzionale alle crescenti masse di dispiegamento. I costi unitari per t di SO2 dispiegata diminuiscono leggermente ogni anno a causa delle economie di scala accumulate ma limitate. Sia i costi operativi semplici che quelli medi ponderati sono ∼$1400/t di SO2 distribuito, nel 2018 US $. Ciò pone i costi totali ben al di sotto di qualsiasi altra tecnologia alternativa attualmente disponibile e all'incirca equivalente alla stima del costo unitario di 1500 dollari/t di McClellan et al (2010, 2012) per 1 Mt implementato tramite il nuovo programma di aeromobili proposto. Per i motivi sopra descritti, abbiamo molta più fiducia nella nostra stima.

Sebbene 1400 $/t possa trasmettere un falso senso di precisione, siamo fiduciosi di concludere che i costi operativi medi sono <∼$500/t di SO2 dispiegata nei primi 15 anni di un dispiegamento che mira a compensare la metà dell'aumento del forzante radiativo, a partire da qui a 15 anni.

4.5. Analisi di sensibilità

La tabella 6 mostra la sensibilità delle principali metriche finanziarie alle variazioni di vari input ipotizzati. In generale, i costi per tonnellata distribuita si dimostrano estremamente coerenti tra gli scenari. Le tonnellate impiegate variano notevolmente, portando a grandi variazioni dei costi operativi annuali totali. I costi pre-avviamento dipendono principalmente dal budget per lo sviluppo dell'aeromobile.

5. 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 delineato presuppone il primo, sebbene chiarisca che "veloce" in questo contesto si riferisce all'immediatezza dell'impatto che deriverebbe dal dispiegamento, non necessariamente alla rampa verso il dispiegamento, che, a meno di uno scenario di dispiegamento in stile militare al di fuori di questo studio, richiederebbe diversi anni. Questo articolo conferma ulteriormente [il termine] "economico", ma non dice nulla su [il termine] "imperfetto". Non esprimiamo qui alcun giudizio sull'opportunità di un'ISC. Dimostriamo semplicemente che un ipotetico programma di dispiegamento che inizi tra 15 anni, sebbene altamente incerto e ambizioso, sarebbe effettivamente tecnicamente possibile da un punto di vista ingegneristico. Sarebbe anche notevolmente economico.

I costi totali pre-avvio per lanciare un ipotetico sforzo SAI tra 15 anni sono di 3,5 miliardi di dollari nel 2018. Un programma che distribuisca 0,2 Mt di SO2 nell'anno 1 e aumenti linearmente successivamente a 0,2 Mt di SO2/anno richiederebbe costi operativi medi annuali di ∼2,25 miliardi di dollari/anno per 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 definire i bassi costi di SAI un "tropo" della geoingegneria solare che è "rimasto oltre il suo benvenuto". Stimare tali numeri è altamente speculativo. Keith et al (2017), tra gli altri, prendono semplicemente come proxy approssimativo l'intero budget del Global Change Research Program degli Stati Uniti di 3 miliardi di dollari all'anno (Our Changing Planet 2016), più che raddoppiando le nostre stime medie annuali di dispiegamento.

Che il numero annuale sia di 2,25 o 5,25 miliardi di dollari per dimezzare gli aumenti medi previsti del forzante radiativo da una determinata data in poi, questi numeri confermano le precedenti stime basse che invocano l'"incredibile economia" della geoingegneria solare (Barrett 2008) e le descrizioni delle sue proprietà di "free driver" (Wagner e Weitzman 2012, 2015, Weitzman 2015). Decine di paesi avrebbero sia l'esperienza che il denaro per lanciare un programma del genere. Circa 50 paesi hanno bilanci militari superiori a 3 miliardi di dollari, con 30 superiori a 6 miliardi di dollari (Stockholm International Peace Research Institute 2017).

6. Ulteriori discussioni

Il basso costo del SAI e le sue conseguenti proprietà di "free driver" spesso invocano un notevole disagio (Burns et al 2016, Lawrence e Crutzen 2017). Anche se in gran parte non dichiarato, una possibile preoccupazione che potrebbe essere alla base di questo disagio è quella che si potrebbe chiamare le presunte proprietà "driver segrete" di un programma di implementazione: la prospettiva che l'implementazione di SAI anche su larga scala potrebbe rimanere inosservata (Dalby 2014, Hamilton 2014, Stilgoe 2015).

Concentrandosi su un programma di distribuzione maturo di 5 Mt SO2 anno-1, Lo et al (2016) esaminano i metodi con cui rilevare le particelle di aerosol dispiegate. Invece, qui ci concentriamo sulla rilevabilità del programma di distribuzione. Potremmo sostenere che dozzine di grandi aerei che effettuano molte migliaia di voli all'anno da più basi in diversi paesi renderebbero un tale programma facilmente rilevabile. Questo può valere anche nel primo anno. Un dispiegamento ipotizzato di 0,2 Mt di SO2 all'anno-1 coinvolge una flotta iniziale di 8 velivoli appositamente costruiti che volano circa 4000 voli, troppa attività di volo per passare inosservata.

Inoltre, mentre la longitudine dell'iniezione conta poco, studi recenti mostrano l'efficacia notevolmente migliorata del SAI a diverse latitudini. Il nostro scenario ipotetico assume basi a 30 °N, 15 °N, 15 °S e 30 °S. Nessun paese si avvicina a coprire un tale 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 coprirebbero quasi tutto il continente, con il Cairo, in Egitto, a 30,0 °N e Durban, in Sud Africa, a 29,9 °S. Qualsiasi operazione di questo tipo 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, tuttavia, presuppone un attore razionale che cerchi di implementare un programma SAI scientificamente sensato in 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 l'efficienza operativa e i costi, da un lato, e la presunta "segretezza", dall'altro. Una minore efficienza per l'implementazione diretta delle ISC al di sopra dell'equatore (Dai et al 2018) implica un carico utile sostanzialmente maggiore per lo stesso impatto climatico.

Un carico utile maggiore richiede più aeromobili o più grandi e più voli, rendendo il programma più facilmente rilevabile. Nel frattempo, le operazioni di lancio da una base, ma con iniezione a 15 e 30,0 °N e °S o in prossimità di esso, richiedono tratte di volo fino a 2000 miglia a nord e a sud su acque internazionali, se non su spazi aerei stranieri. Questo, a sua volta, allungherà i voli e raddoppierà all'incirca sia il numero di velivoli necessari che 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 globale SAI potrebbe ragionevolmente aspettarsi di mantenere la segretezza, consideriamo anche chi, se qualcuno, potrebbe desiderare di attuare un tale programma segreto. Per prima cosa, l'ISC ha un effetto globale, se non l'attuazione (Keith 2000). Il SAI, quindi, non è un'arma di precisione. Inoltre, giudicato da motivi puramente commerciali, è difficile vedere come si possa utilizzare l'ISC esclusivamente per un guadagno locale senza innescare sostanziali ricadute globali, sia negative che positive.

Sebbene ci possa essere una lunga lista di appaltatori che farebbero offerte con entusiasmo per vendere hardware, forniture e servizi a 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 debbano essere un fattore motivante in qualsiasi decisione sull'opportunità di: quando, dove e come attuare l'ISC. Qualsiasi entità che intenda progettare il clima dell'intero globo deve agire – ed essere vista agire – esclusivamente in base a considerazioni umanitarie e ambientali non offuscate da aspirazioni di guadagno finanziario diretto.

Riconoscimenti

Ringraziamo i dipendenti 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 gli utili commenti e discussioni.

Conflitti d’interesse

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.