机器人推动了海洋生物燃料的开发 - 海洋生物燃料技术

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Photo: USC/David GinsburgA diver attaches seaweed to a prototype of a kelp elevator.

早在2017年的ARPA-E能源创新峰会上，我们（作者，以下简称我）就遇到了一家名为Marine BioEnergy的公司，该公司致力于研究一个概念 -- 机器人潜艇在公海养殖海带，以制造碳中和生物燃料。这一概念有很多可取之处：海带在生长过程中吸收碳，因此当新植物扎根时，它随后释放到大气中的任何碳都会得到平衡。不仅如此，海带可以转化为能源密集型液体燃料，为此已经有了庞大的配送基础设施。最重要的是，海带生长在海洋中，这意味着我们不必给它施肥，给它淡水，或者像风能和太阳能农场那样争夺陆地空间。

海带养殖的棘手之处在于，海带需要三样东西才能生长：阳光、营养并将其“抓牢”。这种结合只能在海岸线上自然地找到，这严重限制了海带的养殖数量。但是Marine BioEnergy公司的想法是在开阔的海洋中养殖海带，用机器人潜艇将海带从白天的阳光到夜间几百米深的富含营养的水之间循环。这种深度循环是否真的适用于海带是一个大的开放性问题，但最近的一些实验已经解决了这个问题。

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海带本身并不是自然可以实现循环过程的。海带会自己在浅滩上寻找一些岩石，粘在那里，朝着阳光向上生长。为了使自己保持垂直，海带在每片叶子的底部生长出许多口袋状的孢子囊（pneumatocysts），里面有很多孢子。芽孢成熟时，芽胞破裂，里面的芽胞就出来，用两根鞭毛在海里游动。在合适的条件下，就会发芽并长成海带。没有人知道如果海带在深度循环过程中生长会发生什么；这些囊能够形成吗？如果不能，那会对植物的其他部分造成什么影响？

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为了解决这个问题，Marine BioEnergy公司与南加州大学Wrigley Institute for Environmental Studies合作，在加州海岸外的圣卡塔琳娜岛（Santa Catalina Island）深度循环一些小海带。他们没有使用机器人潜艇，而是组装了一个海藻升降舵，由一个拴在海底的自动绞车组成。绞盘上有一个支架，支撑着许多小海带植物。每天晚上，升降舵都会把它们降到80米深的营养丰富的水中喂食。到了早上，整个装置被卷起放在阳光下。

Marine BioEnergy公司总裁Cindy Wilcox在一封电子邮件中向我们描述说，经过100昼夜的上下循环，测试显示海带已经适应了它的深度循环，并且正在迅速生长。

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结果发现，深度循环的气囊又长又窄，充满的是液体，而不是气体。这是第一次表明，至少有一种海带（巨囊藻，又称巨型海带）在白天表面的阳光和夜间的温跃层以下的营养物质之间循环时繁衍生息。”

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深度循环的海带产生的生物量大约是没有深度循环的对照组海带生物量的4倍，尽管实验在100天后结束，但海带在那时还没有完全生长。之后，看看成熟海带到底可以生长多大以及多快，将是下一阶段的实验目标。

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

最终，这个想法是将海带的生产与海岸断开，利用太阳能机器人潜艇将巨大的海带带到开阔的海洋中。每隔90天，海带（持续生长）就会被修剪、装袋，然后送到取货点转化为生物燃料，而机器人潜艇则会把刚剪下的海带拖出来，重新开始循环。

海带转化为燃料的实际过程是通过现有的商业过程进行的，即水热液化或厌氧消化。海带中大约一半的碳可以被加工成汽油或热油当量，而另一半则被加工成甲烷，可以用来为转化过程本身提供动力，转化成氢气，或者作为单独的产品出售。由于在这个过程中释放的碳来自海带本身，它实际上并没有向大气中添加任何碳，Wilcox解释道：

我们的预测是，每艘无人机潜艇在30年的使用寿命内生长的海带，其生物量约为12000干公吨，是无人机和农场系统质量的200多倍。这种生物质所含的能量是制造和操作无人机和所有相关农业设备所需能量的160多倍，包括部署和收割。当海藻的燃料被燃烧时，它会释放出几个月前从环境中吸收的二氧化碳，而农场本身的碳足迹相对较小，因为它的质量与产品相比非常小。我们的设想是，海带衍生能源和有机原料最终将为相对较小的农业设备提供所有投入，因此不需要化石燃料来维持和发展这样的系统。

Wilcox说，要取代美国使用的所有液体运输化石燃料，需要种植约220万平方公里的海带，占太平洋面积的不到1.5%。这看起来可能是一个比较小的百分比，但这仍然需要大量的海带，一些人担心这可能会对其他海洋生物产生什么影响。根据Wilcox的说法，温盐环流每年在整个海洋产生大约3.5米的营养物质上升流，海带养殖只能吸收上升流中大约6厘米的营养物质。有趣的是，通过生产肥料作为生物燃料的副产品，海带还可以用来帮助将深海的营养物质带回陆地，这一过程（据我们所知）目前只能通过火山和鲑鱼进行。Wilcox说：“我们预计海洋农场的主要作用将是帮助减少人为造成的大量人工营养物质流入海洋造成的损害，但这需要更多的研究。”

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在未来几年，Marine BioEnergy公司希望利用ARPA-E提供的资金制作农具原型，并进行大规模的海洋试验，之后的目标是建立第一个农场，开始大规模生产海带。

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