早在2017年的ARPA-E能源創(chuàng)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(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(jīng)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(nóng)場那樣爭奪陸地空間。

海帶養(yǎng)殖的棘手之處在于，海帶需要三樣東西才能生長：陽光、營養(yǎng)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(yǎng)殖數(shù)量。但是Marine BioEnergy公司的想法是在開闊的海洋中養(yǎng)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(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大的開放性問題，但最近的一些實驗已經(jīng)解決了這個問題。

海帶本身并不是自然可以實現(xiàn)循環(huán)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(fā)芽并長成海帶。沒有人知道如果海帶在深度循環(huán)過程中生長會發(fā)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(huán)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(yǎng)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(jīng)過100晝夜的上下循環(huán)，測試顯示海帶已經(jīng)適應了它的深度循環(huán)，并且正在迅速生長。

結果發(fā)現(xiàn)，深度循環(huán)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(yǎng)物質之間循環(huán)時繁衍生息。”

深度循環(huán)的海帶產(chǎn)生的生物量大約是沒有深度循環(huán)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(chǎn)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(xù)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(huán)。

海帶轉化為燃料的實際過程是通過現(xiàn)有的商業(yè)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(chǎn)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(nóng)場系統(tǒng)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(nóng)業(yè)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(huán)境中吸收的二氧化碳，而農(nóng)場本身的碳足跡相對較小，因為它的質量與產(chǎn)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(nóng)業(yè)設備提供所有投入，因此不需要化石燃料來維持和發(fā)展這樣的系統(tǒng)。

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(chǎn)生什么影響。根據(jù)Wilcox的說法，溫鹽環(huán)流每年在整個海洋產(chǎn)生大約3.5米的營養(yǎng)物質上升流，海帶養(yǎng)殖只能吸收上升流中大約6厘米的營養(yǎng)物質。有趣的是，通過生產(chǎn)肥料作為生物燃料的副產(chǎn)品，海帶還可以用來幫助將深海的營養(yǎng)物質帶回陸地，這一過程（據(jù)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(nóng)場的主要作用將是幫助減少人為造成的大量人工營養(yǎng)物質流入海洋造成的損害，但這需要更多的研究?！?/p>

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

原文標題：機器人推動了海洋生物燃料的開發(fā)

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