Джонатан Трент: Получение энергии из микроводорослей

Несколько лет назад я решил выяснить, возможно ли создать такое биотопливо, которое могло бы заменить горючие полезные ископаемые, но не создавало бы конкуренцию сельскому хозяйству в плане водных ресурсов, удобрения или земли.

И вот что я придумал. Представьте себе, что мы построили камеру, поместили её под воду и наполнили сточными водами и некоторыми видами микроводорослей, которые производят нефть. Мы сделаем эту камеру из какого-либо гибкого материала, который будет двигаться под водой вместе с волнами. Конечно, в системе, которую мы собираемся построить, будет использоваться солнечная энергия для выращивания водорослей, а они используют CO2, что хорошо, и по мере роста они производят кислород. Растущие водоросли находятся в контейнере, который отдаёт тепло в окружающую воду, и мы сможем собирать водоросли и использовать для биотоплива, косметики, удобрений и кормов для животных. Конечно, нужно будет заполнить большую площадь, так что придётся избегать конкуренции со стороны, например, рыбаков и кораблей и тому подобного, но что поделаешь — мы ведь говорим о биотопливе! И мы знаем, насколько важно получить альтернативное жидкое топливо.

Почему мы говорим именно о микроводорослях? Вы видите график, показывающий различные типы сельскохозяйственных культур, которые рассматриваются как потенциальная основа для биотоплива, и вы можете здесь видеть такое растение, как соевые бобы, которые производят 190 литров на 4 000 кв. метров в год, или подсолнечник, или рапс (канола), или ятрофа, или пальма. А этот длинный столбик показывает, сколько могут произвести микроводоросли. А именно, микроводоросли производят от 7 500 до почти 19 000 литров на 4 000 кв. метров за год, по сравнению со 190 литрами в год из сои.

Так что такое микроводоросли? Микроводоросли потому и называются микро-, потому что они очень маленькие, как можно здесь видеть, на изображении этих одноклеточных организмов в сравнении с человеческим волосом. Эти крошечные организмы существовали миллионы лет, и сейчас есть тысячи различных видов микроводорослей в мире, некоторые из которых являются самыми быстро растущими растениями на планете и производят, как я только что показал, огромное количество нефти.

Так почему мы хотим делать это в прибрежной зоне? Что ж... причина, по которой мы делаем это в прибрежной зоне — если вы посмотрите на прибрежные города, то увидите, что выбора нет, потому что мы собираемся использовать сточные воды, как я и предложил, а если вы посмотрите, где находится большинство очистных сооружений, — они встроены в города. Это Сан-Франциско, под которым уже находится 1 500 км канализационных труб, и сточные воды из них сливаются в море. Разные города в мире по-разному поступают со сточными водами. Некоторые перерабатывают их. Некоторые просто сливают воду. Но во всех случаях сточная вода идеально подходит для выращивания микроводорослей. Итак, давайте вообразим, как всё это может происходить. Мы называем эту систему OMEGA, что расшифровывается как Оффшорное мембранное огораживание для выращивания водорослей. В НАСА приходится придумывать хорошие сокращения.

Так как это работает? Я вам это уже, можно сказать, показал. Мы помещаем сточную воду и источник СО2 в плавучую конструкцию, сточная вода обеспечивает водоросли питательными веществами, что позволяет им расти, и они впитывают углекислый газ, который в противном случае поступил бы в атмосферу как парниковый газ. Для роста они, конечно, используют солнечную энергию, энергия волн на поверхности даёт энергию для смешивания водорослей, а температура контролируется температурой окружающей воды. Растущие водоросли производят кислород, как я уже упоминал, а также они производят и биотопливо, и удобрение, и продовольствие, и другие продукты, которые можно получить из водорослей.

И эта система самодостаточна. Что я имею в виду? Она состоит из автономных модулей. Допустим, что-то случится, что-то совершенно неожиданное, с одним из модулей. Он начнёт протекать. В него ударит молния. Сточные воды, которые вытекут, уже будут водой, которая подходит для прибрежной среды, и водоросли, которые вытекут с ними, поддаются биологическому разложению, а так как они живут в сточных водах, они пресноводные, что означает, что они не могут существовать в солёной воде, поэтому они погибают. Тип пластика, из которого это будет построено, будет какой-нибудь известный, проверенный, и мы восстановим наши модули, чтобы повторно их использовать.

Мы можем не ограничиваться этой системой, которую я вам показываю, то есть, мы должны думать о воде, о пресной воде, что также будет проблемой в будущем, и сейчас мы работаем над методами, которые позволят очищать сточные воды.

Ещё одна вещь, которую стоит учитывать — это сама структура. Она будет служить поверхностью для обитателей в океане, и эта поверхность, покрытая морскими водорослями и другими морскими организмами, создаст дополнительную среду обитания. Таким образом, она будет способствовать росту биоразнообразия. И, наконец, так как это прибрежная установка, мы можем задуматься о том, как она может способствовать активности прибрежных аквакультур.

Итак, вы, вероятно думаете: «Ого, похоже это хорошая идея. Что можно сделать, чтобы увидеть, реально ли это?» Что ж... я создал лаборатории в Санта-Крузе, на предприятии охотничьего и рыбного хозяйства в Калифорнии. Там были установлены большие контейнеры с морской водой, чтобы проверить некоторые из этих идей. Мы также проводили эксперименты в Сан-Франциско в одном из трёх заводов по переработке сточных вод, опять же — место для испытания идей. И наконец, мы хотели увидеть, каково будет влияние этой структуры на морскую среду, и мы создали испытательную площадку в морской лаборатории Мосс-Лендинг в заливе Монтерей, там мы работали в гавани, чтобы посмотреть, как это скажется на морских организмах.

Лаборатория в Санта-Крузе была нашей опытной мастерской. Там мы выращивали водоросли, варили пластик, делали инструменты и совершали много ошибок, или, как сказал Эдисон: мы искали 10 000 способов, при которых система не работала. Сейчас мы вырастили водоросли в сточных водах, и мы создали инструменты, позволившие нам проникнуть в жизнь водорослей, чтобы мы могли наблюдать за их ростом, за тем, что им нравится, и как сделать так, чтобы они выживали и процветали. Наиболее важной вещью, которую нам пришлось разработать, были так называемые фотобиореакторы. Это плавучие конструкции, сделанные из какого-либо недорогого пластика, в которых могут расти водоросли. Мы сделали множество конструкций с разным дизайном, но большинство из них были кошмарными и неудачными. А когда мы, наконец, нашли дизайн, который подходил, мы увеличили их вместимость со 113,5 литров до 1 700 литров. Это все было в Сан-Франциско.

Итак, позвольте мне показать, как работает эта система. Мы берём сточные воды и водоросли на наш выбор и прогоняем их через плавучее сооружение, эту гибкую пластиковую структуру из труб. Таким образом, сточные воды циркулируют в этой штуке. И, конечно, есть ещё солнечный свет, он на поверхности, и водоросли растут с помощью питательных веществ.

Но это примерно как надеть на голову пластиковый пакет. Водоросли не задохнутся из-за углекислого газа, как мы. Они задохнутся, потому что производят кислород, то есть, они не то чтобы задохнутся, но кислород, который они производят, является проблемой, а они используют весь углекислый газ. Поэтому следующее, что мы должны были выяснить — как удалить кислород. Это мы и сделали, построив вот такое вертикальное отделение, в которое уходила часть воды и там насыщалась углекислым газом до того, как снова поступить в систему. То, что вы видите — это прототип, который был первой попыткой создания такого отделения. Более крупную модель мы позднее установили в Сан-Франциско в существующую систему.

У этого отделения была ещё одна очень полезная функция, а именно — водоросли там оседали, что позволяло накапливать биомассу таким образом, что её легко было собрать. Итак, мы отделяем водоросли, собравшиеся в нижней части отделения, а затем мы можем собрать водоросли, поднимая их на поверхность и просеивая через сетку.

Итак, мы также хотели изучить, каково будет влияние этой системы на морскую среду. Я упоминал, что мы проводили этот эксперимент на испытательной площадке в морской лаборатории Мосс-Лендинг. И мы обнаружили, что этот материал, естественно, весь зарос водорослями, и нам пришлось разрабатывать процедуру очистки. Мы также наблюдали за тем, как взаимодействовали с системой морские птицы и млекопитающие, и видите, вот морская выдра, которая очень ею заинтересовалась и периодически перелезала через эту маленькую плавучую подушку, и мы хотели нанять этого парня или научить его чистить поверхность этих штук, но это в будущем.

Теперь, собственно, что мы делали: мы работали в четырёх направлениях. Наши исследования охватывали биологию системы, что включало в себя изучение роста водорослей, и также того, что едят водоросли, и того, что их убивает. Мы занимались инженерией, чтобы понять, что нам потребуется, чтобы построить эту конструкцию не только в небольшом масштабе, но и в том огромном масштабе, который в конечном итоге потребуется. Я говорил, что мы наблюдали за птицами и морскими млекопитающими и смотрели, какое воздействие оказывает система на окружающую среду и, наконец, мы принимали в расчёт экономическую составляющую. Под экономической составляющей я имею в виду следующее: Какая энергия потребуется для работы системы? Получите ли вы больше энергии, чем затратите на поддержание её функционирования? А как насчёт эксплуатационных расходов? А как насчёт основных затрат? А что можно сказать об экономической структуре в целом?

Позвольте мне сказать, что это не будет легко, надо ещё много работать во всех этих четырёх областях, чтобы система действительно заработала. Но у нас мало времени, и я хотел бы показать вам, как может выглядеть эта система, если она находится в защищённой бухте в любом уголке мира, а на заднем плане на этом изображении — завод по переработке сточных вод и источник дымовых газов. Однако если вы всё просчитаете, то поймёте, что это будет трудно осуществить. Разве что мы рассмотрим эту систему как способ обработки сточных вод и поглощения углерода, и в перспективе она будет работать с фотоэлектрическими панелями или использовать энергию волн или даже ветра. И если начать рассматривать всё это с точки зрения интеграции всех этих различных процессов, то можно также включить и аквакультуры. Под этой системой будут расти моллюски, мидии и гребешки. Мы сможем выращивать устрицы и другие ценные продукты, и это будет движущей силой на рынке, когда мы будем строить систему и укрупнять её и, в конечном счёте, она станет конкурентоспособной для того, чтобы создавать топливо.

Но тут обязательно возникает одна серьёзная проблема, потому что сейчас океан сильно загрязнён пластиком, и поэтому мы думали, как создать безотходную систему. Что мы будем делать со всем этим пластиком, который необходимо будет использовать в морской среде? Не знаю, слышали ли вы об этом, но в Калифорнии огромное количество пластика сейчас используется в полях в качестве мульчирующего покрытия. Именно из пластика получаются эти крошечные теплицы прямо над поверхностью земли, что обеспечивает нагрев почвы для увеличения периода роста, позволяет нам контролировать сорняки и, конечно, делает полив гораздо более эффективным. Таким образом, система Омега станет частью подобного проекта, и когда мы закончим использовать пластик в морской среде, мы будем использовать его, надеюсь, на полях.

Куда мы все это установим и как это будет выглядеть в прибрежной зоне? Вот изображение того, что мы могли бы сделать в заливе Сан-Франциско. Сан-Франциско производит 246 000 кубических метров сточных вод в день. Если мы зададим 5-дневное время пребывания в этой системе, нам потребуется миллион кубических метров для размещения воды, и это будет более 5 миллионов квадратных метров модулей Омега, плавающих в заливе Сан-Франциско. Но это менее одного процента площади поверхности залива. При производительности 7 500 литров на 4 тысячи кв.м. в год система будет производить более 7,5 миллионов литров топлива, что составляет около 20% биодизеля, или дизеля, который потребуется в Сан-Франциско, и это — не делая ничего для повышения эффективности.

Где бы мы ещё могли разместить эту систему? Существует много возможностей. Конечно, в заливе Сан-Франциско, как я уже упоминал. Ещё один пример — залив Сан-Диего, а также залив Мобил или Чесапикский залив, причём реальность такова, что уровень моря поднимается, так что возникнет множество новых возможностей. (Смех)

Таким образом, то, о чем я вам рассказываю — это комплексная система, объединяющая разные процессы. Производство биотоплива совмещается с производством альтернативной энергии и с аквакультурами.

Я начал искать инновационный способ производить экологичное биотопливо, и в процессе этого я обнаружил, что для обеспечения его жизнеспособности и рациональности интеграция более необходима, чем инновации.

У меня есть вера в будущее, в нашу коллективную и совместную изобретательность. Я думаю, что почти нет предела тому, чего мы можем достичь, если будем полностью открыты и если нам будет неважно, кто получит признание. Экологически рациональные решения наших будущих проблем будут различными, и их будет много. Я думаю, что нужно рассмотреть все возможные решения, все, от альфы до омеги. Спасибо. (Аплодисменты) (Аплодисменты) Крис Андерсон: Небольшой вопрос для вас, Джонатан. Может ли этот проект продолжать двигаться вперёд в рамках НАСА или нужно, чтобы какой-нибудь амбициозный фонд «зелёной энергии» вмешался и взял его реализацию в свои руки? Джонатан Трент: Сейчас мы уже подошли к такой стадии в НАСА, что хотели бы, чтобы всё это во что-то вылилось, но есть много проблем с осуществлением этого в США из-за ограничений на выдачу разрешений и времени, необходимого для получения разрешений на то, чтобы строить прибрежные конструкции. На данный момент, действительно, нужны люди извне, и мы полностью открыты в плане этой технологии, которую собираемся внедрить. Мы готовы сотрудничать со всеми, кто заинтересован и постарается воплотить проект в реальность. КА: Это интересно. Вы не патентуете его. Вы публикуете его. ДТ: Именно. КА: Хорошо. Спасибо большое. ДТ: Спасибо. (Аплодисменты)