早在2017年的ARPA-E能源創新峰會上，我們（作者，以下簡稱我）就遇到了一家名為Marine BioEnergy的公司，該公司致力于研究一個概念 -- 機器人潛艇在公海養殖海帶，以制造碳中和生物燃料。這一概念有很多可取之處：海帶在生長過程中吸收碳，因此當新植物扎根時，它隨后釋放到大氣中的任何碳都會得到平衡。不僅如此，海帶可以轉化為能源密集型液體燃料，為此已經有了龐大的配送基礎設施。最重要的是，海帶生長在海洋中，這意味著我們不必給它施肥，給它淡水，或者像風能和太陽能農場那樣爭奪陸地空間。

海帶養殖的棘手之處在于，海帶需要三樣東西才能生長：陽光、營養并將其“抓牢”。這種結合只能在海岸線上自然地找到，這嚴重限制了海帶的養殖數量。但是Marine BioEnergy公司的想法是在開闊的海洋中養殖海帶，用機器人潛艇將海帶從白天的陽光到夜間幾百米深的富含營養的水之間循環。這種深度循環是否真的適用于海帶是一個大的開放性問題，但最近的一些實驗已經解決了這個問題。

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

為了解決這個問題，Marine BioEnergy公司與南加州大學Wrigley Institute for Environmental Studies合作，在加州海岸外的圣卡塔琳娜島（Santa Catalina Island）深度循環一些小海帶。他們沒有使用機器人潛艇，而是組裝了一個海藻升降舵，由一個拴在海底的自動絞車組成。絞盤上有一個支架，支撐著許多小海帶植物。每天晚上，升降舵都會把它們降到80米深的營養豐富的水中喂食。到了早上，整個裝置被卷起放在陽光下。

Marine BioEnergy公司總裁Cindy Wilcox在一封電子郵件中向我們描述說，經過100晝夜的上下循環，測試顯示海帶已經適應了它的深度循環，并且正在迅速生長。

結果發現，深度循環的氣囊又長又窄，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）在白天表面的陽光和夜間的溫躍層以下的營養物質之間循環時繁衍生息。”

深度循環的海帶產生的生物量大約是沒有深度循環的對照組海帶生物量的4倍，盡管實驗在100天后結束，但海帶在那時還沒有完全生長。之后，看看成熟海帶到底可以生長多大以及多快，將是下一階段的實驗目標。

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

最終，這個想法是將海帶的生產與海岸斷開，利用太陽能機器人潛艇將巨大的海帶帶到開闊的海洋中。每隔90天，海帶（持續生長）就會被修剪、裝袋，然后送到取貨點轉化為生物燃料，而機器人潛艇則會把剛剪下的海帶拖出來，重新開始循環。

海帶轉化為燃料的實際過程是通過現有的商業過程進行的，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量，而另一半則被加工成甲烷，可以用來為轉化過程本身提供動力，轉化成氫氣，或者作為單獨的產品出售。由于在這個過程中釋放的碳來自海帶本身，它實際上并沒有向大氣中添加任何碳，Wilcox解釋道：

我們的預測是，每艘無人機潛艇在30年的使用壽命內生長的海帶，其生物量約為12000干公噸，是無人機和農場系統質量的200多倍。這種生物質所含的能量是制造和操作無人機和所有相關農業設備所需能量的160多倍，包括部署和收割。當海藻的燃料被燃燒時，它會釋放出幾個月前從環境中吸收的二氧化碳，而農場本身的碳足跡相對較小，因為它的質量與產品相比非常小。我們的設想是，海帶衍生能源和有機原料最終將為相對較小的農業設備提供所有投入，因此不需要化石燃料來維持和發展這樣的系統。

Wilcox說，要取代美國使用的所有液體運輸化石燃料，需要種植約220萬平方公里的海帶，占太平洋面積的不到1.5%。這看起來可能是一個比較小的百分比，但這仍然需要大量的海帶，一些人擔心這可能會對其他海洋生物產生什么影響。根據Wilcox的說法，溫鹽環流每年在整個海洋產生大約3.5米的營養物質上升流，海帶養殖只能吸收上升流中大約6厘米的營養物質。有趣的是，通過生產肥料作為生物燃料的副產品，海帶還可以用來幫助將深海的營養物質帶回陸地，這一過程（據我們所知）目前只能通過火山和鮭魚進行。Wilcox說：“我們預計海洋農場的主要作用將是幫助減少人為造成的大量人工營養物質流入海洋造成的損害，但這需要更多的研究。”

在未來幾年，Marine BioEnergy公司希望利用ARPA-E提供的資金制作農具原型，并進行大規模的海洋試驗，之后的目標是建立第一個農場，開始大規模生產海帶。

原文標題：機器人推動了海洋生物燃料的開發

文章出處：【微信公眾號：IEEE電氣電子工程師學會】歡迎添加關注！文章轉載請注明出處。

責任編輯：haq