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为了阻止气候变暖,他们计划在海洋中开辟海洋农场

来源:环球科学
 
巨型海藻(图片来源:flickr)
 
美国的Marine BioEnergy公司正计划在远洋建造大规模的巨型海藻农场,用以提供生物能源,降低碳排放。该项目已经完成了第一次实验,但也有人质疑,海藻农场或许会对海洋生态系统造成无法预计的后果。
在未来的某一天,太平洋或许会变成巨型的藻类农场。这些农场将由潜航器照料,收获的海藻会被转化为能源——这是Marine BioEnergy公司所构想的未来。这家公司认为尚未开发的外海能够提供更好的可再生生物能源,它和几个相关项目都由美国高级研究计划局能源部(Advanced Research Projects Agency-Energy, ARPA-E)资助。
目前,美国能源的5%来自玉米和木头等生物资源,它们不仅是可再生能源,还能在生长过程中通过光合作用从大气中吸收二氧化碳。由于其使用灵活,能够为航天和其他使用电能的交通工具提供能源,因此许多专家认为生物能源的比重将持续增长。ARPA-E的项目主管Marc von Keitz称,大量分析指出,如果要大幅减少美国的碳排放,生物能源需要占到总能源的20%~25%。
当下美国生物能源主要来自于玉米制乙醇汽油,然而它的生产过程需要大量土地、肥料和淡水,容易造成污染问题且耗费资源。如von Keitz所说:“我们怎样才能(在生产足够生物资源的同时)不以人们的需求作为代价,又增加食物产量?”海藻可以成为答案:它不需要上述任何一种资源,而是利用了外海的巨大潜能。“大部分的海洋都还没有被开发,”von Keitz说。收获以后,海藻可以通过不同的化学过程转化为各种能量,如生物气体和乙醇。然而,将海藻作为生物能源仍有一些困难。由于其对于生态系统可能存在影响,又未被证实一定会对改善气候有好处,人们对这个方法也依然存疑。
海洋农场
很多国家——特别是亚洲国家——有悠久的海藻种植历史,不过主要是为了食用,也都是小规模种植。如果要让大型海藻成为生物能源的主要来源,研究者和企业需要以低成本的方式将海藻转化为商业化的能源。他们也需要发明出在远洋大范围种植大型藻类的技术,这需要克服远洋的种种恶劣环境,如由风暴等。另外,海藻农场距离陆地很远,这也意味着,如果要高效地运营,需要达到少量的员工在场即可的自动化生产。
ARPA-E正在支持创新能源技术的研发,他们认为上述问题可以得到解决。ARPA-E有一个名为MARINER(海洋者)的专项计划,旨在资助针对海藻能源产业的各个环节的开发项目,其中涉及耕种、收获、运输、育种等方面的技术和系统。例如,MARINER计划中有一类项目针对水下监控的开发,它们着重研究小型无人潜航器上的感应器如何实现跟踪生长和探测损害,以及使用自动拖引船(被形容为“海洋拖拉机”)来运输供给物资和收获的海藻。
ARPA-E的项目之一由Marine BioEnergy完成。这个项目是为了在太平洋中间建造巨大的海藻农场,它试图解决大型海藻农场概念中最重要的问题:外海的海洋表层阳关充足但缺乏营养,深海有足够的营养但阳光不足。因此,大多数海藻不会生长在这么远的地方。Marine BioEnergy认为他们找到了解决方案:把海藻固定在无人潜航器上。
根据设想,每个农场会覆盖几公顷(1公顷等于0.01平方千米),由一排一排的海藻组成,其间穿插着浮筒。在晚上、暴风雨中或者其他船只经过时,无人潜航器会把海藻拉到海底吸收养分。每几个月,潜航器还会把整个农场拉到一个收割地点,潜航器本身的能源则由太阳能板提供。
Marine BioEnergy公司的创始人和总经理Cindy Wilcox计划用足够多的海藻农场来提供很大一部分能源。她说:“如果要替代美国现在使用的10%的石油,我们需要种植一个犹他州那么大的海藻农场,而太平洋的空间有705个犹他州那么大。”
这家公司刚开始实验他们的想法。在去年Marine BioEnergy和南加利福尼亚大学(University of Southern California)做了第一次试运行,来测试巨藻(Macrocystis pyrifera)在水里拖上拖下会如何生长。在加州卡特琳娜岛(Catalina Island)的海岸边,研究员把30根巨藻连在一个固定的悬浮系统上,用太阳能驱动的绞车,将系着巨藻的吊杆于表面和80米深处来回移动。最初的结果很鼓舞人心:被来回移动的巨藻比始终保持在同一深度的巨藻生长得更好。Marine BioEnergy和研究员计划可能会在4月初的时候再做一次相似的实验。
未知的后果
一些专家对ARPA-E的计划抱有谨慎但乐观的态度。“这是个令人兴奋的、大胆的项目,肯定是我们下一步要做的,”英国杜伦大学能源研究所(Durham University Energy Institute)的海藻生物能源专家John Bothwell评论道,他未参与ARPA-E项目。
还有一些专家表示了他们的质疑,他们提出海藻农场或许会对海洋生态系统造成无法预计的后果。“扰乱大陆和海洋的生态食物链会有很多连锁反应,”密歇根大学能源研究所(University of Michigan Energy Institute)的教授John Decicco说。Wilcox回应道:“我们还不知道可能会产生哪些生态影响,或许现在讨论这个问题还太早了。”von Keitz提到一个可能的危害是海藻农场会有一些松弛的线,这些线会缠住海洋生物。然而,他指出MARINER计划要求该项目降低这个风险,比如一些团队正在考虑在这些线中加入例如玻璃纤维等材料,这样它们不会弯得把动物给缠住。
生物能源潜在的气候好处也有待商榷,海藻的好处可能很难计算。ARPA-E的目标是达到与陆地生物燃料相同甚至更低的碳排放量,这意味着其碳足迹(指某产品在生产、运输到消费的过程中全部的碳排放量)不到汽油的一半。这一目标背后的想法是,即使海藻燃烧时会释放碳,这些排放量也只相当于海藻在生长阶段所吸收的碳,不会像化石燃料那样向大气释放新的碳,尽管海藻在生产和转化为生物能源的过程中仍需要一些能源。Von Keitz补充说,如果可以在海藻燃烧的过程中捕获和储存这些碳,对气候就更好了。
不过,DeCicco说,大型海藻养殖可能会以我们意想不到的方式影响海洋内的碳循环,而这可能会对气候不利。他说:“我们很难有把握地说这些碳的连锁反应对大气是有净收益。”德西科指出,相关产业和研究人员将需要数据而不仅仅是模型来证明大型藻类生物能源会有助于改善气候,要获得足够且准确的信息是很困难的。然而,von Keitz认为并没有证据表明大规模的海藻种植会破坏碳循环,从而危害气候稳定。
一些专家说,仅仅是能够降低碳排放的可能性就使得海藻生物能源值得探索。弗吉尼亚大学(University of Virginia)工程系统与环境副教授Andres Clarens(他并未参与本项目)表示:“我们正面临着气候变化的巨大挑战。我不认为有什么灵丹妙药,或是大型海藻就能拯救我们,但这可能是解决方案的一部分。”
 
撰文:Annie Sneed
翻译:陆水
文章来源:科学美国人 
文章链接:
https://www.scientificamerican.com/article/could-our-energy-come-from-giant-seaweed-farms-in-the-ocean/
本文来自:环球科学
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