早在2017年的ARPA-E能源創(chuàng)新峰會(huì)上，我們（作者，以下簡(jiǎn)稱我）就遇到了一家名為Marine BioEnergy的公司，該公司致力于研究一個(gè)概念 -- 機(jī)器人潛艇在公海養(yǎng)殖海帶，以制造碳中和生物燃料。這一概念有很多可取之處：海帶在生長(zhǎng)過(guò)程中吸收碳，因此當(dāng)新植物扎根時(shí)，它隨后釋放到大氣中的任何碳都會(huì)得到平衡。不僅如此，海帶可以轉(zhuǎn)化為能源密集型液體燃料，為此已經(jīng)有了龐大的配送基礎(chǔ)設(shè)施。最重要的是，海帶生長(zhǎng)在海洋中，這意味著我們不必給它施肥，給它淡水，或者像風(fēng)能和太陽(yáng)能農(nóng)場(chǎng)那樣爭(zhēng)奪陸地空間。

海帶養(yǎng)殖的棘手之處在于，海帶需要三樣?xùn)|西才能生長(zhǎng)：陽(yáng)光、營(yíng)養(yǎng)并將其“抓牢”。這種結(jié)合只能在海岸線上自然地找到，這嚴(yán)重限制了海帶的養(yǎng)殖數(shù)量。但是Marine BioEnergy公司的想法是在開(kāi)闊的海洋中養(yǎng)殖海帶，用機(jī)器人潛艇將海帶從白天的陽(yáng)光到夜間幾百米深的富含營(yíng)養(yǎng)的水之間循環(huán)。這種深度循環(huán)是否真的適用于海帶是一個(gè)大的開(kāi)放性問(wèn)題，但最近的一些實(shí)驗(yàn)已經(jīng)解決了這個(gè)問(wèn)題。

海帶本身并不是自然可以實(shí)現(xiàn)循環(huán)過(guò)程的。海帶會(huì)自己在淺灘上尋找一些巖石，粘在那里，朝著陽(yáng)光向上生長(zhǎng)。為了使自己保持垂直，海帶在每片葉子的底部生長(zhǎng)出許多口袋狀的孢子囊（pneumatocysts），里面有很多孢子。芽孢成熟時(shí)，芽胞破裂，里面的芽胞就出來(lái)，用兩根鞭毛在海里游動(dòng)。在合適的條件下，就會(huì)發(fā)芽并長(zhǎng)成海帶。沒(méi)有人知道如果海帶在深度循環(huán)過(guò)程中生長(zhǎng)會(huì)發(fā)生什么；這些囊能夠形成嗎？如果不能，那會(huì)對(duì)植物的其他部分造成什么影響？

為了解決這個(gè)問(wèn)題，Marine BioEnergy公司與南加州大學(xué)Wrigley Institute for Environmental Studies合作，在加州海岸外的圣卡塔琳娜島（Santa Catalina Island）深度循環(huán)一些小海帶。他們沒(méi)有使用機(jī)器人潛艇，而是組裝了一個(gè)海藻升降舵，由一個(gè)拴在海底的自動(dòng)絞車(chē)組成。絞盤(pán)上有一個(gè)支架，支撐著許多小海帶植物。每天晚上，升降舵都會(huì)把它們降到80米深的營(yíng)養(yǎng)豐富的水中喂食。到了早上，整個(gè)裝置被卷起放在陽(yáng)光下。

Marine BioEnergy公司總裁Cindy Wilcox在一封電子郵件中向我們描述說(shuō)，經(jīng)過(guò)100晝夜的上下循環(huán)，測(cè)試顯示海帶已經(jīng)適應(yīng)了它的深度循環(huán)，并且正在迅速生長(zhǎng)。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，深度循環(huán)的氣囊又長(zhǎng)又窄，充滿的是液體，而不是氣體。這是第一次表明，至少有一種海帶（巨囊藻，又稱巨型海帶）在白天表面的陽(yáng)光和夜間的溫躍層以下的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)之間循環(huán)時(shí)繁衍生息。”

深度循環(huán)的海帶產(chǎn)生的生物量大約是沒(méi)有深度循環(huán)的對(duì)照組海帶生物量的4倍，盡管實(shí)驗(yàn)在100天后結(jié)束，但海帶在那時(shí)還沒(méi)有完全生長(zhǎng)。之后，看看成熟海帶到底可以生長(zhǎng)多大以及多快，將是下一階段的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)。

Image： Marine BioEnergyDiagram showing the life cycle of an ocean kelp farm.

最終，這個(gè)想法是將海帶的生產(chǎn)與海岸斷開(kāi)，利用太陽(yáng)能機(jī)器人潛艇將巨大的海帶帶到開(kāi)闊的海洋中。每隔90天，海帶（持續(xù)生長(zhǎng)）就會(huì)被修剪、裝袋，然后送到取貨點(diǎn)轉(zhuǎn)化為生物燃料，而機(jī)器人潛艇則會(huì)把剛剪下的海帶拖出來(lái)，重新開(kāi)始循環(huán)。

海帶轉(zhuǎn)化為燃料的實(shí)際過(guò)程是通過(guò)現(xiàn)有的商業(yè)過(guò)程進(jìn)行的，即水熱液化或厭氧消化。海帶中大約一半的碳可以被加工成汽油或熱油當(dāng)量，而另一半則被加工成甲烷，可以用來(lái)為轉(zhuǎn)化過(guò)程本身提供動(dòng)力，轉(zhuǎn)化成氫氣，或者作為單獨(dú)的產(chǎn)品出售。由于在這個(gè)過(guò)程中釋放的碳來(lái)自海帶本身，它實(shí)際上并沒(méi)有向大氣中添加任何碳，Wilcox解釋道：

我們的預(yù)測(cè)是，每艘無(wú)人機(jī)潛艇在30年的使用壽命內(nèi)生長(zhǎng)的海帶，其生物量約為12000干公噸，是無(wú)人機(jī)和農(nóng)場(chǎng)系統(tǒng)質(zhì)量的200多倍。這種生物質(zhì)所含的能量是制造和操作無(wú)人機(jī)和所有相關(guān)農(nóng)業(yè)設(shè)備所需能量的160多倍，包括部署和收割。當(dāng)海藻的燃料被燃燒時(shí)，它會(huì)釋放出幾個(gè)月前從環(huán)境中吸收的二氧化碳，而農(nóng)場(chǎng)本身的碳足跡相對(duì)較小，因?yàn)樗馁|(zhì)量與產(chǎn)品相比非常小。我們的設(shè)想是，海帶衍生能源和有機(jī)原料最終將為相對(duì)較小的農(nóng)業(yè)設(shè)備提供所有投入，因此不需要化石燃料來(lái)維持和發(fā)展這樣的系統(tǒng)。

Wilcox說(shuō)，要取代美國(guó)使用的所有液體運(yùn)輸化石燃料，需要種植約220萬(wàn)平方公里的海帶，占太平洋面積的不到1.5%。這看起來(lái)可能是一個(gè)比較小的百分比，但這仍然需要大量的海帶，一些人擔(dān)心這可能會(huì)對(duì)其他海洋生物產(chǎn)生什么影響。根據(jù)Wilcox的說(shuō)法，溫鹽環(huán)流每年在整個(gè)海洋產(chǎn)生大約3.5米的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)上升流，海帶養(yǎng)殖只能吸收上升流中大約6厘米的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。有趣的是，通過(guò)生產(chǎn)肥料作為生物燃料的副產(chǎn)品，海帶還可以用來(lái)幫助將深海的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)帶回陸地，這一過(guò)程（據(jù)我們所知）目前只能通過(guò)火山和鮭魚(yú)進(jìn)行。Wilcox說(shuō)：“我們預(yù)計(jì)海洋農(nóng)場(chǎng)的主要作用將是幫助減少人為造成的大量人工營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)流入海洋造成的損害，但這需要更多的研究?！?/p>

在未來(lái)幾年，Marine BioEnergy公司希望利用ARPA-E提供的資金制作農(nóng)具原型，并進(jìn)行大規(guī)模的海洋試驗(yàn)，之后的目標(biāo)是建立第一個(gè)農(nóng)場(chǎng)，開(kāi)始大規(guī)模生產(chǎn)海帶。

原文標(biāo)題：機(jī)器人推動(dòng)了海洋生物燃料的開(kāi)發(fā)

文章出處：【微信公眾號(hào)：IEEE電氣電子工程師學(xué)會(huì)】歡迎添加關(guān)注！文章轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。

責(zé)任編輯：haq