Вот уже несколько лет биотопливо, которое используется в автомобилях, реактивных самолетах, кораблях и больших грузовиках, производится в основном из кукурузы и других сельскохозяйственных культур массового производства. Однако исследователи из USC обратились к океану в поисках того, что могло бы быть еще лучшей культурой для биотоплива: морских водорослей.
Ученые из Института экологических исследований USC Wrigley на острове Санта-Каталина, работающие с частным сектором, сообщают, что новый метод аквакультуры на побережье Калифорнии резко увеличивает рост водорослей, давая в четыре раза больше биомассы, чем естественные процессы. В этом методе используется приспособление, называемое «лифт водорослей», которое оптимизирует рост плавающих водорослей бронзового цвета, поднимая и опуская их на разную глубину.
Недавно опубликованные результаты исследования показывают, что можно использовать открытый океан для выращивания водорослей для производства низкоуглеродного биотоплива, аналогично тому, как земля используется для сбора топливного сырья, такого как кукуруза и сахарный тростник, и с потенциально меньшим негативным воздействием на окружающую среду.
Национальный исследовательский совет указал, что производство биотоплива из такого сырья, как кукуруза и соя, может увеличить загрязнение воды. Фермеры используют пестициды и удобрения для посева, которые в конечном итоге могут загрязнять ручьи, реки и озера. Несмотря на эти очевидные недостатки, 7% транспортного топлива страны по-прежнему поступает из основных продовольственных культур. И почти весь это этанол на основе кукурузы.
«Создание новых путей производства биотоплива требует доказательства того, что новые методы и сырье работают. Этот эксперимент на побережье Южной Калифорнии является важным шагом, поскольку он демонстрирует, что водорослями можно управлять для максимального увеличения роста», – сказала Дайан Янг Ким, автор исследования. заместитель директора специальных проектов в USC Wrigley Institute и профессор экологических исследований в USC Dornsife College of Letters, Arts and Sciences.
Исследование было опубликовано 19 февраля в журнале Renewable and Sustainable Energy Reviews . В число авторов входят исследователи из USC Dornsife, где находится Институт Ригли, и калифорнийская компания Marine BioEnergy, Inc. в Ла-Каньяда, которая разработала и построила экспериментальную систему для исследования и в настоящее время разрабатывает технологию для открытого доступа. фермы морских водорослей.
Хотя и не без препятствий, ламинария показывает серьезные перспективы в качестве биотопливной культуры.
Правительство и промышленность видят перспективу в новом поколении экологически безопасного биотоплива для сокращения чистых выбросов углекислого газа и зависимости от иностранной нефти. Новое биотопливо может либо дополнить, либо заменить бензин, дизельное топливо, реактивное топливо и природный газ.
Если он реализует свой потенциал, водоросли станут более привлекательным вариантом, чем обычные биотопливные культуры – кукуруза, рапс, соя и просо – по двум очень важным причинам. Во-первых, океанические культуры не конкурируют за пресную воду, сельскохозяйственные угодья или искусственные удобрения. А во-вторых, океаническое земледелие не угрожает важным местообитаниям, когда обрабатываются маргинальные земли.
Ученые сосредоточились на гигантских водорослях Macrocystis pyrifera, водорослях, которые образуют величественные подводные леса вдоль побережья Калифорнии и в других местах и смываются на пляжи плотными циновками. Келп – одно из самых быстрорастущих растений в природе, и его жизненный цикл хорошо изучен, что делает его пригодным для выращивания.
Но разведение водорослей требует преодоления нескольких препятствий. Для процветания ламинария должна быть прикреплена к субстрату и растет только в пропитанной солнцем воде до глубины около 60 футов. Но в открытых океанах освещенному солнцем поверхностному слою не хватает питательных веществ, доступных в более глубоких водах.
Чтобы максимизировать рост в этой экосистеме, ученым нужно было выяснить, как дать водорослям точку опоры, за которую можно держаться, много солнечного света и доступ к обильным питательным веществам. И они должны были увидеть, смогут ли водоросли выжить глубже под поверхностью. Итак, компания Marine BioEnergy изобрела концепцию изменения глубины водорослей, а ученые USC Wrigley провели биологические и океанографические испытания.
Лифт для водорослей состоит из труб из стекловолокна и тросов из нержавеющей стали, которые поддерживают водоросли в открытом океане . Молодь ламинарии прикрепляется к горизонтальной балке, и вся конструкция поднимается и опускается в толще воды с помощью автоматической лебедки.
Начиная с 2019 года водолазы-исследователи собирали водоросли в дикой природе, прикрепляли их к лифту для водорослей, а затем развернули у северо-западного берега острова Каталина, недалеко от морской полевой станции Ригли. Каждый день в течение примерно 100 дней лифт поднимал ламинарию почти на поверхность в течение дня, чтобы она могла впитывать солнечный свет, а затем опускала ее примерно на 260 футов ночью, чтобы она могла поглощать нитраты и фосфаты из более глубокой воды. Между тем, исследователи постоянно проверяли состояние и температуру воды, сравнивая своих водорослей с контрольными группами, выращенными в естественных условиях.
«Мы обнаружили, что водоросли с глубинным циклом росли намного быстрее, чем контрольная группа ламинарии, производя в четыре раза больше биомассы», – сказал Ким.
Толчок к разработке биотоплива нового поколения
До эксперимента было неясно, могут ли водоросли эффективно поглощать питательные вещества в глубокой, холодной и темной среде. Нитраты являются большим ограничивающим фактором для растений и водорослей, но исследование показывает, что водоросли нашли все необходимое для роста, когда их опускали в глубокую воду ночью. Не менее важно, что водоросли смогли выдержать большее давление под водой.
Брайан Уилкокс, соучредитель и главный инженер компании Marine BioEnergy, сказал: «Хорошая новость заключается в том, что фермы могут быть собраны из готовых продуктов без использования новых технологий. После внедрения фермы с циклическим изменением глубины могут открыть новый путь. производить доступное, углеродно-нейтральное топливо круглый год ».
Синди Уилкокс, соучредитель и президент компании Marine BioEnergy, считает, что потребуется кусок океана размером с Юту, чтобы произвести достаточно биотоплива из водорослей, чтобы заменить 10% жидкой нефти, ежегодно потребляемой в Соединенных Штатах. Одна Юта займет всего 0,13% всего Тихого океана.
Разработка биотоплива нового поколения является приоритетом для Калифорнии и федерального правительства. Агентство перспективных исследовательских проектов Министерства энергетики США инвестировало 22 миллиона долларов в усилия по увеличению запасов морского сырья для производства биотоплива, в том числе 2 миллиона долларов на проведение исследования лифта водорослей . У Министерства энергетики есть исследование, чтобы определить местонахождение миллиарда тонн сырья в год для биотоплива; Синди Уилкокс из компании Marine BioEnergy сказала, что океан между Калифорнией, Гавайями и Аляской может способствовать достижению этой цели, помогая США стать лидером в этой новой энергетической технологии.