Jonathan Trent: Energie din capsule de alge plutitoare

Acum câţiva ani am dorit să aflu dacă există posibilitatea de a dezvolta biocombustibili la o scară la care să concureze cu combustibilii fosili dar să nu concureze cu agricultura pentru apă, îngrăşăminte sau teren.

Iată rezultatul. Imaginaţi-vă că am clădi o incintă unde băgăm doar apa freatică, pe care o umplem cu apă menajeră şi o microalgă care produce ulei. Facem incinta dintr-un material flexibil care se mişcă pe valuri sub apă, iar sistemul, desigur, va folosi energie solară ca să crească algele, şi folosim CO2, ceea ce-i bine, iar ele produc oxigen pe măsură ce se dezvoltă. Algele se află într-un container care distribuie căldura în apa dimprejur. Le poţi culege să faci biocombustibili, cosmetice, îngrăşăminte, furaje şi sigur vei avea nevoie de o suprafaţă mare, aşa că vei interfera cu alţe părţi interesate: pescari, vase şi alte asemenea, dar vorbim de biocombustibili, şi ştim cât de important este să ai un combustibil lichid alternativ.

De ce discutăm despre microalge? Aici e un grafic cu mai multe tipuri de culturi care se consideră că produc biocombustibili, şi vedeţi boabele de soia care dau 200 de litri pe acru pe an, sau floarea soarelui, jatropha sau palmierul, iar cilindrul mare, arată cu cât pot contribui algele. Microalgele contribuie cu 7.500 şi 19.000 litri pe acru pe an, comparat cu 190 de litri / acru / an din soia.

Ce sunt microalgele? Sunt micro- adică extrem de mici, aşa cum observaţi în această fotografie a organismelor unicelulare comparate cu firul de păr uman. Aceste mici organisme există de milioane de ani şi sunt mii de specii diferite de microalge în lume, unele cu cel mai rapid ritm de creştere de pe planetă şi care produc multe, multe uleiuri.

De ce să facem asta în larg? Motivul e că dacă privim oraşele de coastă, nu avem alternativă, deoarece vom folosi apa menajeră, cum am sugerat, iar apa menajeră are cele mai multe uzine de purificare în oraşe. Acesta e San Francisco, care deja are 1450 km de ţevi de canalizare pe sub oraş care deversează apa menajeră în larg. Diferite oraşe în lume tratează apa menajeră diferit. Unele o procesează. Altele doar o eliberează în apă. În toate cazurile apa eliberată e potrivită pentru creşterea microalgelor. Să ne imaginăm cum ar arăta sistemul. Îl numim OMEGA, un acronim pentru Offshore Membrane Enclosures for Growing Algae. (Incinte membranare de cultivare a algelor în larg.) La NASA trebuie să ai acronime bune.

Cum funcţionează? V-am arătat mai devreme. Pui apă şi o sursă de CO2 într-o structură plutitoare, iar apa menajeră oferă nutrienţi pentru creşterea algelor, care reţin CO2, care altminteri s-ar pierde în atmosferă ca gaz de seră. Ele folosesc energia solară ca să crească, iar energie valurilor de la suprafaţă oferă energia necesară amestecării algelor, iar temperatura e reglată de temperatura apei înconjurătoare. Algele în timpul creşterii produc oxigen şi produc şi biocombustibili, îngrăşăminte, hrană şi alte produse algifere de interes.

Sistemul e autonom. E modular. Presupunem că ceva neaşteptat se întâmplă cu unul dintre module. Are scurgeri. E lovit de trăsnet. Apa menajeră care se scurge e apa care deja oricum e deversată în mediul de coastă, iar algele existente sunt biodegradabile, pentru că ele trăiesc în apa menajeră, şi fiind alge de apă dulce, înseamnă că nu supravieţuiesc în apa sărată şi mor. Materialul plastic folosit, cu care se lucrează foarte bine, construim modulele aşa încât să le putem refolosi.

Putem să mergem mai departe cu acest sistem şi să ne gândim la partea referitoare la apă, apa proaspătă, care şi ea va fi o problemă în viitor, şi acuma lucrăm la metode pentru a recupera apa menajeră.

Alt aspect de luat în calcul e structura în sine. Oferă suprafaţă pentru lucruri din ocean, suprafaţă acoperită de plante marine şi alte organisme oceanice, care va deveni un habitat marin îmbunătăţit şi creşte biodiversitatea. Pentru că e o structură în larg, putem considera cum ar putea contribui la o activitate piscicolă în larg.

Vă gândiţi: "Ce idee grozavă! Cum facem să vedem dacă merge?" Am aranjat laboratoare în Santa Cruz la crescătoria California Fish and Game, unde ne-au permis să avem containere mari cu apă de mare să testăm ideile. Am făcut experimente în San Francisco la una din cele 3 uzine de purificare a apei menajere, o altă locaţie unde să testăm ideile. În cele din urmă am vrut să testăm impactul pe care l-ar avea această structură în mediul marin şi am construit un loc pentru cultură la Moss Landing Marine Lab în golful Monterey, unde am lucrat într-un port ca să observăm ce impact ar avea asupra organismelor marine.

Laboratorul din Santa Cruz era pentru startul experimentelor. Acolo creşteam algele, modelam plasticul şi uneltele de construit şi acolo am făcut o grămadă de greşeli, sau, cum ar fi spus Edison, găseam 10 mii de moduri în care sistemul n-ar funcţiona. Am crescut alge în apă menajeră şi am construit dispozitive care să ne permită accesul în lumea algelor ca să le putem urmări pe măsură ce cresc, ce le face fericite, cum să ne asigurăm o cultură viabilă şi înfloritoare. Cea mai importantă parte pe care trebuia s-o dezvoltăm erau foto-bioreactoarele, sau PBR-urile. Aceste structuri care ar pluti la suprafaţă confecţionate dintr-un material plastic ieftin care să permită creşterea algelor. Am imaginat multe forme, marea majoritate eşecuri oribile, şi când, în final am obţinut o formă care funcţiona, la 100 de litri, am mărit-o proporţional la 1700 de litri în San Francisco.

Să vă arăt cum funcţionează sistemul. Luăm apă folosită cu algele dorite, și o circulăm prin această structură plutitoare, tubulară, din plastic. Circulă prin plastic, cu suprafaţa expusă la soare, iar algele se dezvoltă pe seama nutrienţilor.

Doar că e ca şi cum ţi-ai băga capul într-o pungă de plastic. Algele nu se vor sufoca din cauza CO2, ca noi. Ele se sufocă pentru că produc oxigen, care nu le sufocă, dar prezintă probleme, iar ele folosesc tot CO2-ul. Următorul pas a fost să vedem cum scoatem oxigenul. El iese prin această coloană care a circulat o parte din apă, şi a readus CO2, prin barbotarea sistemului înainte de recircularea apei. Aici vedeţi prototipul primei coloane. Coloana mai mare pe care am instalat-o în sistemul activ din San Francisco.

Coloana mai avea o proprietate bună: algele se aşezau în coloană, şi asta ne permitea să adunăm biomasa de alge într-o formă pe care s-o putem recolta uşor. Îndepărtăm algele comasate la baza coloanei apoi le recoltăm printr-o procedură în care le lăsăm să se ridice la suprafaţă, de unde le adunăm cu o plasă.

Am vrut să studiem şi impactul acestui sistem asupra mediului marin. V-am spus că aveam un loc pentru experiment în Moss Landing Marine Lab. Am observat că materialul se încărca cu alge aşa că trebuia să găsim o metodă de curăţare. Am observat şi modul în care interacţionau păsările şi mamiferele marine. Aici e o focă interesată de obiect, care periodic va trece peste acest pat plutitor. Ne-ar fi plăcut să-o angajăm sau s-o dresăm să cureţe suprafaţa baloanelor, dar asta în viitor.

Lurcram de fapt pe patru direcţii. Cercetam biologia sistemului adică modul de creştere al algelor, dar şi ce le mânca sau ce le omora. Am făcut şi inginerie ca să putem construi structura la scară redusă dar şi ca să aflăm cum o vom construi la scara enormă ce urma să fie folosită. Am studiat păsările şi mamiferele marine şi impactul sistemului asupra mediului, dar şi partea economică constând în ce energie era necesară ca sistemul să funcţioneze? Energia rezultată e mai mare decât energia necesară ca sistemul să funcţioneze? Dar costurile de funcţionare? Dar costurile de investiţie? Care e economia întregii structuri?

N-o să fie uşor, şi e mult de lucru în toate cele patru domenii ca să putem pune sistemul în funcţiune. Dar nu avem mult timp la dispoziţie şi vă voi arăta cum a conceput sitemul un artist dacă s-ar afla într-un golf protejat undeva în lume, iar în fundal se vede uzina de tratare a apei menajere şi o sursă de aducţie pentru CO2. Când calculezi economia sistemului vezi că va fi greu să-l realizezi, dacă nu ţii cont că-i o cale de tratare a apei menajere, de captare a carbonului şi că poate avea implicaţii la panourile fotovoltaice, energia valurilor sau eoliană. Dacă începi să te gândeşti cum să integrezi toate aceste activităţi diferite, ai putea include într-un asemenea sistem şi acvacultura. Am avea sub sistem o crescătorie de crustacee unde să creştem midii sau scoici. Am creşte stridii care ar furniza produse cu mare valoare alimentară, şi ăsta va fi indicele nostru pentru extinderea treptată a sistemului până va fi competitiv pentru producerea de carburant.

E o mare problemă care se iveşte, cea a plasticului în ocean, deloc agreat în prezent, aşa că am căutat argumente. Ce vom face cu tot acest plastic pe care-l vom folosi în mediul marin? Nu ştiu dacă ştiţi, dar în California o cantitate uriaşă de plastic cu utilizări în diverse domenii, cu rol protector, iar acesta e un plastic folosit pentru mici sere chiar pe suprafaţa solului, cu rol de încălzire pentru extinderea sezonului de creştere, care permite controlul buruienilor, şi care fac eficientă irigarea. Aşa că sistemul OMEGA aparţine categoriei cu astfel de rezultate, iar când îl vom folosi în mediul marin, sperăm că-l vom folosi şi pe terenuri.

Unde o să-l punem şi cum va arăta în larg? Iată ce am realizat în golful San Francisco. San Francisco produce 250 milioane de litri/zi de apă menajeră. Considerând un timp de retenţie de 5 zile necesar sistemului, avem nevoie de 1230 milioane l, adică 5200 m pătraţi de module OMEGA să plutească prin golful San Francisco. Asta înseamnă mai puţin de 1% din suprafaţa golfului. Ar produce la 7500 l / 4000 mp / an peste 7,5 mil. l de combustibil, adică 20% combustibil biodiesel (motorină), din combustibilul diesel folosit în San Francisco, şi asta fără să eficientizăm deloc sistemul.

Unde altundeva putem pune acest sistem? Sunt multe variante. Golful San Francisco e una. Golful San Diego, o alta. Golful Mobile sau Chesapeake, dar nivelul mării creşte, vor fi multe alte variante de luat în calcul. (Râsete)

V-am vorbit despre un sistem de activităţi integrate. Producerea de biocombustibil e integrată cu energie alternativă, integrată cu acvacultură.

Am plecat să găsec o cale inovativă şi durabilă de producere a biocombustibililor, ca să descopăr pe parcurs că integrarea oferea o sustenabilitate mai mare decât inovaţia.

Pe termen lung am mare încredere în ingeniozitatea noastră colectivă interdisciplinară. Cred că nu există limite pentru ce putem realiza dacă suntem total deschişi şi nu ne pasă cine ia premiu. Soluţii sustenabile pentru problemele viitoare vor fi diverse şi numeroase. Cred că trebuie să ţinem cont de tot, absolut tot, de la ALFA la OMEGA. Vă mulţumesc. (Aplauze) Chris Anderson: O întrebare scurtă, Jonathan. Acest proiect va putea continua cercetarea în cadrul NASA sau aveţi nevoie de un fond foarte ambiţios pentru energie verde? Jonathan Trent: Acum se află într-un stadiu în care NASA ar dori să-l propulseze afară, în larg, dar ne confruntăm cu destule probleme cu realizarea în SUA din cauza aprobărilor limitate şi a timpului necesar obţinerii aprobărilor ca să realizăm asta în larg. La momentul de faţă avem nevoie de oameni dinafară, şi suntem extrem de deschişi cu această tehnologie aşa încât dorim s-o lansăm cu ajutorul oricui şi a tuturor celor interesaţi să o adopte şi să o facă să devină realitate. CA: Interesant. Nu o patentaţi, ci o publicaţi. JT: Absolut. CA: Bine, îţi mulţumesc din suflet. JT: Mulţumesc. (Aplauze)