مزارع جلبك دريايي؛ راهكاري براي توليد انرژي زيستي از دل اقيانوس

در آينده، ممكن است اقيانوس آرام منزلگاه كيلومترها مزرعه‌ي جلبك دريايي باشد كه به‌وسيله‌ي پهبادهاي زيردريايي مراقبت مي‌شوند و منتظر هستند تا به سوخت تبديل شوند. اين چشم‌انداز استارتاپي به‌نام مارين بيوانرژي است كه تحت همراهي مركز تحقيقات پيشرفته انرژي آمريكا (ARPA-E) قرار دارد. اين آژانس دولتي بودجه‌ي اين شركت و نيز تعداد معدودي از پروژه‌هاي مرتبط را تأمين مي‌كند؛ زيرا اقيانوس بي‌كران را به‌عنوان منبع دست‌نخورده‌اي براي منبع جديد و احتمالا بهتر انرژي زيستي تجديدپذير مي‌بيند.

درحال‌حاضر حدود ۵ درصد از كل مصرف انرژي در آمريكا از زيست‌توده‌هايي مانند ذرت و چوب حاصل مي‌شود كه تجديدپذير بوده و هنگام رشد و با انجام فرايند فتوسنتز كربن‌دي‌اكسيد را از اتمسفر جذب مي‌كنند. به‌علت انعطاف‌پذيري انرژي‌هاي زيستي، بسياري از متخصص كارشناسان انتظار دارند كه اين درصد افزايش يابد. براي مثال اين انرژي مي‌تواند سوخت هواپيمايي و ديگر اشكال حمل‌و‌نقل را كه برقي شدن آن‌ها دشوار است، فراهم كند.

جريان نور خورشيد ازميان بوته‌هاي كتانجك (نوعي جلبك بزرگ) در آب‌هاي سواحل جزيره كاتالينا در كاليفرنيا

مارك فون‌كيتز، مدير برنامه‌ي ARPA-E مي‌گويد بسياري از تجزيه‌و‌تحليل‌ها پيشنهاد مي‌كنند كه براي دستيابي به كربن‌زدايي گسترده در اقتصاد آمريكا، انرژي زيستي بايد ۲۰ تا ۲۵ درصد از منابع انرژي كشور را شامل شود. گزينه‌ي زيستي حاضر در آمريكا عمدتا اتانول مبتني‌بر ذرت است. اما توليد اين سوخت به زمين، كود و آب شيرين زيادي نياز دارد و موجب ايجاد آلودگي‌هاي ديگري شده و وابسته به منابع محدود است. فون‌كيتز كشت جلبك‌هاي دريايي را به‌عنوان راه‌حل اين اشكال و اجتناب‌از قرباني كردن نيازهاي جامعه پيشنهاد مي‌كند. اين روش نيازي به هيچ‌يك از اين منابع ندارد و مي‌تواند از ظرفيت عظيم اقيانوس استفاده كند. فون‌كيتز مي‌گويد:

اقيانوس فضايي است كه ما از آن زياد براي كشت استفاده نمي‌كنيم.

وقتي جلبك دريايي برداشت شود، ازطريق فرايندهاي شيميايي مختلف مي‌تواند به اشكال مختلف انرژي مانند گاز زيستي (بيوگاز) و اتانول تبديل شود. اگرچه براي اينكه توليد انرژي زيستي از جلبك دريايي به گزينه‌اي تبديل شود كه قابليت توليد در مقياس عظيم داشته باشد، بايد از چند مانع بگذرد. برخي متخصص كارشناسان به‌علت نگراني درمورد تأثيرات اكولوژيكي و مزيت‌هاي اقليمي تاييدنشده، اين ايده را قبول ندارند.

مردم كشورهاي مختلف و خصوصا در آسيا، مدت‌ها است كه جلبك دريايي را كشت مي‌دهند اما در مقياس كم و عمدتا براي مصارف غذايي. براي اينكه انرژي زيستي حاصل‌از جلبك‌هايي دريايي به‌عنوان يك منبع انرژي رواج گيرد، بايد راه‌هاي مقرون‌به‌صرفه‌اي پيدا شود كه بتواند جلبك دريايي را به سوخت قابل مصرف براي استفاده‌ي تجاري تبديل كند. همچنين به فناوري‌ها و تكنيك‌هايي نياز است كه بتوانند جلبك‌هاي دريايي را در مقياس بزرگ و در مناطق دورافتاده‌اي مانند اقيانوس‌ها كه با طوفان‌هاي شديدي درگير مي‌شوند، پرورش دهند. چنين مكان‌هاي دوردستي همچنين به اين معنا است كه به احتمال زياد اين مزارع بايد به شكل خودگردان يا با حضور بسيار محدود انسان مديريت شوند.

آژانس ARPA-E كه از پژوهش‌ها و توسعه‌ي فناوري‌هاي انرژي جديد حمايت مي‌كند، بر اين باور است كه مي‌توان از اين موانع عبور كرد. آژانس مذكور براي تأمين بودجه‌ي پروژه‌هاي كه روي مولفه‌هاي مختلف مورد نياز براي رسيدن به صنعت جديد انرژي حاصل‌از جلبك دريايي، برنامه‌اي اختصاصي به‌نام مارينر (MARINER) دارد: فناوري‌ها و سيستم‌هايي براي كشت و برداشت، حمل‌و‌نقل، انتخاب مصنوعي و موارد ديگر. براي مثال، مارينر شامل طبقه‌بندي خاصي براي پروژه‌هاي مرتبط‌با نظارت آبي است: مزارع جلبك دريايي مي‌توانند پهبادهاي زيردريايي كوچك مجهز به حسگر براي رديابي رشد و تشخيص خسارت داشته باشند. مشاركت ديگر شامل كشتي خودكار يدك‌كشي است كه باعنوان تراكتور دريايي توصيف مي‌شود كه مي‌تواند تجهيزات يا جلبك‌هاي برداشت‌شده را جابه‌جا كند.

يكي از پروژه‌هاي ARPA-E به‌وسيله‌ي شركت مارين بيوانرژي درحال اجرا است و هدف آن ساخت مزارع بزرگ جلبك دريايي درميان اقيانوس آرام است. اين پروژه در تلاش است تا به يكي از اشكالات اساسي پرورش جلبك‌هاي دريايي بپردازد: لايه‌ي بالايي اقيانوس داراي نور زيادي است اما مواد مغذي در اين بخش از اقيانوس كم است، درحالي‌كه لايه‌هاي عميق‌تر مواد مغذي فراواني داشته ولي فاقد نور خورشيد هستند. به‌خاطر اين وضعيت، بيشتر جلبك‌هاي دريايي به‌خودي‌خود در آن اعماق رشد نمي‌كنند. شركت مارين بيوانرژي يك راه‌حل دارد: او كشت جلبك‌ها را روي مزارع متصل به پهبادهاي زيردريايي آزمايش خواهد كرد. هر مزرعه چندين هكتار وسعت خواهد داشت و از رديف‌هاي جلبك دركنار هم تشكيل شده و بين آن‌ها نيز شناورهايي پراكنده است. پهبادها هنگام شب و به‌منظور دسترسي به مواد غذايي و نيز هنگام طوفان يا هنگام عبور كشتي‌ها، مزارع را به زير آب خواهند كشيد. همچنين در زمان برداشت محصول، كل مزرعه را به محل برداشت مي‌كشند. انرژي پهبادها از صفحات خورشيدي تأمين خواهد شد.

سيندي ويلكوكس، هم‌بنيان‌گذار و رئيس شركت مارين بيوانرژي اين تفكر را در ذهن دارد كه تعداد كافي از اين مزارع جلبك دريايي را در اقيانوس ايجاد كند تا بتواند مقدار قابل‌توجهي انرژي فراهم كند. او مي‌گويد:

براي جايگزيني ۱۰ درصد از سوخت‌هاي نفتي مايع كه امروزه در آمريكا مصرف مي‌شود، نياز داريم منطقه‌اي به وسعت ايالت يوتا (حدود ۲۲۰ كيلومتر مربع) را زير كشت ببريم. در اقيانوس آرام فضايي به اندازه‌ي ۷۰۵ يوتا وجود دارد.

شركت مارين بيوانرژي آزمايش ايده‌ي خود را آغاز كرده است. اين شركت با همكاري گروهي از پژوهشگران دانشگاه كاليفرنياي جنوبي اولين آزمايش خود را سال گذشته اجرا كرد تا ببيند چگونه كتانجك غول (Macrocystis pyrifera) وقتي در ستوني از آب بالا و پايين كشيده مي‌شود، رشد مي‌كند. پژوهشگران در سواحل جزيره‌ي كاتالينا در كاليفرنيا حدود ۳۰ كتانجك آزمايشي را به كمك سيستم شناور در آب مستقر كرده‌اند. آن‌ها از جرثقيلي كه انرژي آن از خورشيد تأمين مي‌شد، براي بالا و پايين بردن بازويي كه جلبك‌ها را هنگام شب به عمق ۸۰ متري فرو برده و هنگام روز مجددا آن‌ها را به سطح مي‌آورد، استفاده كردند. نتايج اوليه دلگرم‌كننده بود: رشد جلبك‌هايي كه به‌طور مداوم به عمق و سطح آب آورده مي‌شدند، نسبت‌به گروه كنترل كه در يك عمق نگه‌داري مي‌شدند، بهتر بود. شركت مارين بيوانرژي قصد دارد آزمايش مشابه ديگري را در اوايل آوريل آغاز كند.

برخي متخصص كارشناسان درمورد برنامه‌ي ARPA-E محتاط بوده، بااين‌حال به آن اميدوار هستند. جان باثول، متخصص كارشناس انرژي زيستي جلبك‌هاي دريايي مؤسسه‌ي انرژي دانشگاه دورهام در انگلستان كه در پروژه‌ي ARPA-E مشاركتي ندارد، مي‌گويد:

اين پروژه‌اي هيجان‌انگيز و بسيار بلندپروازانه است و من فكر مي‌كنم اين گام منطقي بعدي است كه بايد برداشته شود.

اگرچه برخي ديگر درمورد انرژي زيستي جلبك‌هايي دريايي مردد بوده و مي‌گويند ايجاد مزارع عظيم جلبك دريايي مي‌تواند اثرات غيرمنتظره‌اي روي اكوسيستم‌هايي دريايي داشته باشد. جان دسيكو، استاد دانشگاه مؤسسه‌ي انرژي ميشيگان كه به مطالعه‌ي سوخت‌هاي زيستي و ديگر مباحث انرژي مشغول است و او نيز در برنامه‌ي ARPA-E مشاركتي ندارد، مي‌گويد:

اختلال طبيعي (يا انساني) در زنجيره‌هاي غذايي روي خشكي يا دريا موجب بروز اثرات گسترده‌اي خواهد شد.

ويلكوكس مي‌گويد:

ما هنوز درمورد پيامدهاي اكولوژيكي بالقوه حاصل‌از اين كار چيزي نمي‌دانيم. شايد هنوز براي گفتن اين حرف خيلي زود باشد.

فون‌كيتز خاطرنشان كرد كه يكي از خطرات احتمالي آن است كه مزارع جلبك‌هايي دريايي ممكن است مكان‌هايي براي گيرافتادن جانوران دريايي ايجاد كند. اما او به اين مسئله نيز اشاره كرد كه برنامه‌ي مارينر پروژه‌هاي خود را ملزم مي‌كند طرح‌هايي را ايجاد كنند كه اين خطر را به حداقل برسانند. به‌گفته‌ي فون‌كيتز برخي از گروه‌هاي همكار درحال مطالعه امكان گنجاندن خطوطي هستند كه حاوي موادي مانند الياف شيشه‌اي باشند كه به گونه‌اي خم نمي‌شوند كه موجب گير كردن جانوران شوند.

مزاياي بالقوه‌ي انرژي زيستي ازانديشه متخصصين اقليمي نيز مورد مباحثه است و ممكن است محاسبه‌ي آن براي جلبك دريايي دشوار باشد. هدف ARPA-E توليد انرژي زيستي حاصل‌از جلبك دريايي با كاهش انتشاراتي است كه به همان اندازه با بهتر از كاهش انتشارات سوخت‌هاي زيستي روي خشكي باشد كه به اين معنا است كه آثار كربني آن بايد كمتر از نصف آثار كربني حاصل‌از بنزين باشد. ايده‌ي پشت‌صحنه‌ي اين هدف آن است كه اگرچه جلبك دريايي هنگام سوختن، كربن آزاد كند، اين انتشارات همان كربني است كه جلبك چند ماه پيش طي رشد آن را جذب كرده است و برخلاف سوخت‌هاي فسيلي، كربن جديدي وارد اتمسفر نمي‌شود. البته توليد و تبديل انرژي زيستي جلبك دريايي به قدري انرژي نياز دارد. فون‌كيتز مي‌افزايد اگر بتوان انتشارات را هنگام سوختن جلبك دريايي گرفت و ذخيره كرد، ازانديشه متخصصين اقليمي بهتر است. اگرچه دسيكو مي‌گويد كه پرورش وسيع جلبك‌هاي دريايي احتمالا به روش‌هاي غيرمنتظره‌اي روي ديناميك كربن درون اقيانوس اثر مي ‌گذارد و اين ممكن است از انديشه متخصصين اقليمي خوب نباشد.

دسيكو خاطرنشان مي‌كند كه صنعت و پژوهشگران براي تأييد اين موضوع كه انرژي زيستي جلبك دريايي ازانديشه متخصصين اقليمي سودمند است، نياز به داده‌هاي خوب دارند و مدل‌سازي كافي نيست. او مي‌گويد دسترسي به اطلاعات دقيق درمورد اين مسئله دشوار است. فون‌كيتز با اين موضوع مخالف است. او مي‌گويد شواهدي نديده است كه نشان دهند كشت جلبك دريايي به شيوه‌اي موجب اختلال در چرخه‌ي كربن مي‌شود كه به اقليم آسيب برساند. برخي متخصص كارشناسان مي‌گويند احتمال داشتن انتشارات كربني كمتر موجب مي‌شود كه با وجود ناشناخته‌ها، انرژي زيستي حاصل‌از جلبك‌هاي دريايي مورد كاوش قرار گيرد. آندرس كلارنس، دانشيار مهندسي سيستم‌ها و محيط زيست در دانشگاه ويرجينيا كه در پروژه‌هاي ARPA-E مشاركتي ندارد، مي‌گويد:

ما اشكال بزرگي در دست‌هاي خود داريم: تغييرات اقليمي. من فكر نمي‌كنم يك راه‌حل جادويي وجود داشته باشد يا اينكه جلبك‌هاي دريايي ما را نجات دهند. اما اين مي‌تواند بخشي از راه‌حل باشد.