Stel je dit voor:in de open oceaan, rijen gekweekte kelp verspreid over een gebied ongeveer zo groot als Mexico. Eenmaal geoogst en verwerkt, dit snelgroeiende zeewier zou worden omgezet in een brandstof die je in je auto zou kunnen pompen. Niet meer vertrouwen op fossiele brandstoffen die miljoenen jaren nodig hebben om gevormd te worden - en waarvan de uitstoot in de atmosfeer de grootste bijdrage levert aan de stijgende temperaturen op aarde.

Tal van wetenschappelijk bewijs, waaronder een recent rapport van het Intergouvernementeel Panel van de Verenigde Naties inzake klimaatverandering – een niet-politieke beoordeling door 91 wetenschappers uit 40 landen – schetst een grimmig beeld voor de economie, gezondheid en het milieu als er in het komende decennium geen agressieve maatregelen worden genomen om de opwarming van de aarde te beheersen.

Om de uitdaging aan te gaan, Onderzoekers van USC Dornsife hebben creatieve oplossingen getest, van kelp-biobrandstof tot geheel nieuwe energie-economieën tot het herontwerpen van afval. Deze oplossingen kunnen zowel ondernemend als winstgevend zijn, het creëren van innovatieve bedrijfsmodellen die banen en een gezonde economie kunnen voeden en tegelijkertijd de planeet kunnen redden.

Plantaardige kracht

In het Marine Science Center van het USC Wrigley Institute for Environmental Studies op Santa Catalina Island voor de kust van Los Angeles, onderzoekers testen of kelp een hernieuwbare brandstof kan worden.

Waarom kelp? Diane Kim, adjunct-directeur voor bijzondere projecten bij het instituut, maakt deel uit van het team dat het onderzoek naar biobrandstoffen leidt.

Ze zegt dat de gewone reuzenkelp die langs de kust van Californië wordt gevonden, een van de snelstgroeiende organismen op aarde is. Een minimum aan natuurlijke hulpbronnen nodig hebben, het kan onder ideale omstandigheden een tot twee voet per dag groeien.

"Kelp wordt vaak een 'sequoia van de zee' genoemd omdat het zo enorm kan worden - tot 100 tot 50 voet lang, " zei ze. "En deze organismen beginnen niet veel groter dan een bacterie."

Groeien, kelp heeft zonlicht en voedingsstoffen nodig. Beide zijn er in overvloed in de oceaan, maar er is een kink in de kabel.

"Licht is dichtbij het oppervlak en voedingsstoffen worden dieper in de waterkolom gevonden, " legt Kim uit. Langs de kust van Californië, opwelling brengt dat water naar de oppervlakte, daarom zijn er zulke grote kelpbossen in de buurt van de kustlijn. Maar dat is niet het geval in de open oceaan, waar kelp het potentieel heeft om op veel grotere schaal te worden gekweekt.

"Dit heeft het potentieel om het energielandschap zoals we dat kennen te transformeren, " zei Kim.

Met financiering van het Advanced Research Projects Agency on Energy van het Amerikaanse Department of Energy, Onderzoekers van het USC Wrigley Institute, geholpen door een branchepartner, testen een strategie voor dieptecycli met behulp van een pilootschaalsysteem met de bijnaam de "kelplift" - een structuur in de oceaan die kelp op en neer beweegt, naar de oppervlakte brengen om zonlicht te absorberen, dan terug naar de voedselrijke diepten.

Indien succesvol, dit systeem zou de basis kunnen vormen voor een autonoom netwerk van drijvende kelpkwekerijen die kunnen worden opgeschaald om de hoeveelheid kelpbiomassa te produceren die nodig is om de kosten van biobrandstof voor macroalgen concurrerend te maken met fossiele brandstoffen.

Het komende jaar of zo, het team, waaronder Kim, Jan Heidelberg, universitair hoofddocent biologische wetenschappen en milieustudies, David Ginsburg, universitair hoofddocent (onderwijs) van milieustudies, en veel niet-gegradueerde en afgestudeerde studenten, zal verschillende strategieën voor dieptecycli en verschillende soorten macroalgen testen voor optimale groei.

Zodra ze onder die parameters kelpgroei kunnen aantonen, hun branchepartner, Mariene bio-energie, commercialisering zal starten. Chemische ingenieurs van het Pacific Northwest National Laboratory van het Department of Energy verfijnen een proces om de kelp op grote schaal om te zetten in biobrandstof via een proces dat hydrothermale liquefactie wordt genoemd. Het resultaat, zij anticiperen, vrijwel CO2-neutraal zal zijn.

Voorlopige berekeningen suggereren dat als hun concept werkt, kelp-biobrandstof heeft het potentieel om aan de behoeften van alle Amerikaanse transportbrandstof te voldoen.

"Dit heeft het potentieel om het energielandschap zoals we dat kennen te transformeren, " zei Kim.

Een nieuwe energie-economie

Het kelp-biobrandstofproject van het USC Wrigley Institute zet een decennialange erfenis van energieonderzoek bij USC Dornsife voort.

Ga het kantoor van G.K. Surya Prakash binnen, directeur van het Loker Hydrocarbon Research Institute van USC Dornsife, en je zult aanwijzingen vinden dat er een briljante en productieve wetenschapper in huist.

Langs zijn bureau staat een boekenkast vol met leerboeken over organische chemie van jaren waarin hij de grondbeginselen onderwees aan studenten. die is bedekt met keurige stapels wetenschappelijke artikelen van bijna 60 cm hoog.

En als je goed kijkt, je zult een reeks merkwaardige instrumenten vinden die zijn levenswerk onthullen:een plastic propeller ter grootte van een handpalm die is bevestigd aan een brandstofcel die op methanol werkt; een kookfornuis ter grootte van een bord, ook gevoed door methanol; en een kleine glazen fles gevuld met wat lijkt op waspoeder.

De fles omhoog houden, Prakash, George A. en Judith A. Olah Nobelprijswinnaar leerstoel in koolwaterstofchemie en hoogleraar scheikunde aan USC Dornsife, legt uit dat de bescheiden witte korrels een nieuw product zijn dat gebruikmaakt van technologie die door het instituut is ontwikkeld om grote gebouwen te helpen hun luchtkwaliteit efficiënter te beheren.

de deeltjes, vervaardigd voor commercieel gebruik door het bedrijf enVerid met een licentie van een Loker-patent, absorberen en vangen kooldioxide en andere luchtverontreinigingen.

"Denk aan een groot gebouw, " zegt Prakash. "Duizenden mensen ademen zuurstof in en kooldioxide uit."

Als het kooldioxidegehalte te hoog wordt, mensen zullen duizelig of slaperig worden. Dus typisch, ventilatiesystemen van gebouwen zullen om de paar uur lucht van buiten naar binnen circuleren om koolstofdioxide en andere verontreinigingen te verwijderen. Dat proces kost veel energie, Prakash legt uit. Maar wanneer de korrels in het HVAC-systeem worden gedaan, het absorbeert luchtverontreinigingen en vermindert het energieverbruik van een gebouw met 20 tot 30 procent.

"Het is een tweeledige manier om koolstofdioxide te compenseren, " zegt hij; Verminder de hoeveelheid koolstofdioxide in de luchtcirculatie van een gebouw en verklein tegelijkertijd de koolstofvoetafdruk van de energie die wordt gebruikt om de luchtkwaliteit te beheren.

Prakash heeft vier decennia bij USC Dornsife nagedacht over energie - manieren om het op te slaan en manieren om het te benutten. Die instrumenten in zijn kantoor illustreren enkele van de praktische toepassingen van wat bekend staat als de methanoleconomie. het visionaire concept voor het creëren van hernieuwbare energiebronnen dat hij oorspronkelijk ontwikkelde met wijlen USC Dornsife Professor of Chemistry George Olah, een Nobelprijswinnaar en voormalig collega en mentor van Prakash.

Het uitgangspunt is koolstofdioxide - een van nature voorkomend gas dat snel toeneemt in onze atmosfeer, voornamelijk als gevolg van menselijke activiteiten zoals het verbranden van fossiele brandstoffen en ontbossing. De methanoleconomie, een model waarbij chemie wordt gebruikt om methanol te produceren in plaats van fossiele brandstoffen voor energieopslag, brandstof en grondstoffen, probeert koolstof als oplossing te gebruiken.

"De aarde heeft geen energieprobleem, " zei Prakash. "Wat het heeft is een energieopslag en een energiedragerprobleem.

"Het idee is dat we koolstofdioxide gaan nemen en het terug omzetten in een aantal chemische brandstoffen en grondstoffen met behulp van de energie van de zon, ' zei Prakash.

Methanol wordt gemakkelijk gemaakt in een laboratorium, en tegen relatief lage kosten, hij voegt toe. De infrastructuur bestaat al om het in gebruik te nemen als brandstof en als grondstof ter vervanging van op aardolie gebaseerde producten.

De Verenigde Staten zijn traag geweest met het adopteren van de technologie, vooral omdat oliemaatschappijen weinig financiële prikkels hebben om over te stappen op het schoner brandende alternatief. Echter, landen als China, IJsland, Israël en Zweden hebben de hernieuwbare brandstofbron voor verschillende toepassingen geadopteerd, voornamelijk voor vervoer. (Een fabriek voor de productie van hernieuwbare methanol die wordt geëxploiteerd door Carbon Recycling International in Reykjavik, IJsland, draagt ​​de naam van Olah.)

India overweegt ook hoe methanol kan worden gebruikt als transportbrandstof en als kookgas om de veelgebruikte kerosine te vervangen, die gevaarlijke verontreinigende stoffen produceert - vandaar het prototype van een op methanol gestookte kachel op Prakash's bureau.

Een winnende katalysator voor verandering

Zhiyao Lu is een postdoctoraal onderzoeker aan het Loker Hydrocarbon Research Institute. Voorafgaand aan het behalen van zijn Ph.D. in scheikunde van USC Dornsife in 2016, hij studeerde farmaceutische wetenschappen. Maar zijn interesses begonnen te verschuiven. rond 2010, hij begon rapporten te zien waaruit bleek dat, naarmate de biodieselindustrie uitbreidde en plantaardige olie op grotere schaal werd gebruikt, ruwe glycerine werd in toenemende hoeveelheden geproduceerd.

"Steeds meer ervan eindigde als afval of als vervuiler, " zei Lu. "Ik realiseerde me dat het een probleem was, en ik heb mezelf dit doel gesteld om ten minste één oplossing te bieden om de situatie te verbeteren."

Hij zette zijn zinnen op het vinden van een manier om het afvalmateriaal om te zetten in iets waardevols. Werken met USC Dornsife hoogleraar chemie Travis Williams, hij ontwikkelde een katalysator die een uitzonderlijk efficiënte chemische transformatie mogelijk maakt die glycerine omzet in lactaat. Meestal afkomstig van planten, lactaat is een waardevol natuurlijk conserveermiddel en antimicrobieel middel met een breed scala aan toepassingen. Meestal wordt het gebruikt in cosmetica en zepen.

Lu was geïnteresseerd in het commercialiseren van hun bevindingen. Williams encouraged him to pursue support to translate their research. Dus, Lu applied for the 2018 USC Wrigley Sustainability Prize, which was created by the USC Wrigley Institute to inspire and support the development of entrepreneurial businesses focused on improving the environment. He took home first place along with $7, 000 to help get the business off the ground.

On the heels of that honor, Lu was selected to participate in the National Science Foundation Innovation Corps (I-Corps) program, a seven-week curriculum that supports scientists in bringing their technology to market. Through I-Corps, Lu and Williams met with potential customers, partners and investors to learn the next steps that would take their technology from the lab to a commercial enterprise.

Als resultaat, the pair's company, Catapower, will be working with World Energy, a top supplier of biodiesel in the U.S., to co-develop the chemical process into a commercial one. Direct, they are building a demonstration of how that would work in their manufacturing plants.

Lu explains that with just a few extra steps and some additional staff, glycerin can easily be converted to lactate as part of each plant's day-to-day operations, using existing equipment.

By Lu's calculations, Catapower's process could lower the overall cost of producing lactate by 60 percent, when compared with the current commercial practice used to manufacture it.

"Our business advisor said once we start producing it, it will be like printing money, " Lu said. "I'm not as optimistic, but I think the profit margin is good enough for us to run a sustainable business."