Immagina questo:fuori in mare aperto, file di alghe d'allevamento che si estendono su un'area grande quanto il Messico. Una volta raccolte e lavorate, questa alga a crescita rapida verrebbe trasformata in un carburante che potresti pompare nella tua auto. Non fare più affidamento sui combustibili fossili che impiegano milioni di anni per formarsi e le cui emissioni nell'atmosfera sono il maggior contributore all'aumento delle temperature della Terra.

Risme di prove scientifiche, tra cui un recente rapporto dell'Intergovernmental Panel on Climate Change delle Nazioni Unite, una valutazione apolitica di 91 scienziati provenienti da 40 paesi, dipingono un quadro netto per l'economia, salute e l'ambiente se nel prossimo decennio non verranno prese misure aggressive per regnare il riscaldamento globale.

Per affrontare la sfida, I ricercatori della USC Dornsife hanno testato soluzioni creative, dal biocarburante di alghe a economie energetiche completamente nuove alla riprogettazione dei rifiuti. Queste soluzioni possono essere sia imprenditoriali che redditizie, creare modelli di business innovativi che possano alimentare posti di lavoro e un'economia sana salvando al contempo il pianeta.

Potere dell'impianto

Presso l'USC Wrigley Institute for Environmental Studies' Marine Science Center sull'isola di Santa Catalina al largo della costa di Los Angeles, i ricercatori stanno testando se il kelp potrebbe diventare un combustibile rinnovabile.

Perché alghe? Diane Kim, direttore associato per progetti speciali presso l'istituto, fa parte del team a capo della ricerca sui biocarburanti.

Dice che l'alga gigante comune trovata lungo la costa della California è uno degli organismi in più rapida crescita sul pianeta. Richiedere un minimo di risorse naturali, può crescere da uno a due piedi al giorno in condizioni ideali.

"Il fuco viene spesso definito una 'sequoia del mare' perché può diventare così massiccio, fino a 100-150 piedi di lunghezza, " ha detto. "E questi organismi iniziano non molto più grandi di un batterio".

Crescere, le alghe richiedono luce solare e sostanze nutritive. Entrambi sono abbondanti nell'oceano, ma c'è un intoppo.

"La luce è vicina alla superficie e i nutrienti si trovano più in profondità nella colonna d'acqua, " spiega Kim. Lungo la costa della California, la risalita porta quell'acqua in superficie, ecco perché foreste di alghe così grandi si trovano vicino alla costa. Ma non è così in mare aperto, dove il kelp ha il potenziale per essere coltivato su scala molto più ampia.

"Questo ha il potenziale per trasformare il panorama energetico come lo conosciamo, " ha detto Kim.

Con il finanziamento dell'Agenzia per i progetti di ricerca avanzata del Dipartimento dell'energia degli Stati Uniti sull'energia, ricercatori dell'USC Wrigley Institute, aiutato da un partner industriale, stanno testando una strategia di ciclismo in profondità utilizzando un sistema su scala pilota soprannominato "ascensore di alghe", una struttura nell'oceano che sposta le alghe su e giù, portandolo in superficie per assorbire la luce del sole, poi di nuovo nelle profondità ricche di sostanze nutritive.

In caso di successo, questo sistema potrebbe essere la base per una rete autonoma di allevamenti galleggianti di alghe che potrebbero essere ampliati per produrre la quantità di biomassa di alghe necessaria per rendere il costo del biocarburante delle macroalghe competitivo rispetto ai combustibili fossili.

Nel corso del prossimo anno o giù di lì, Il gruppo, che include Kim, John Heidelberg, professore associato di scienze biologiche e studi ambientali, David Ginsburg, professore associato (docente) di studi ambientali, e molti studenti universitari e laureati, testerà diverse strategie di ciclismo in profondità e diverse specie di macroalghe per una crescita ottimale.

Una volta che possono dimostrare la crescita di alghe sotto quei parametri, il loro partner di settore, Bioenergia marina, inizierà la commercializzazione. Gli ingegneri chimici del Pacific Northwest National Laboratory del Department of Energy stanno perfezionando un processo per trasformare le alghe in biocarburante su larga scala attraverso un processo chiamato liquefazione idrotermale. Il risultato, anticipano, sarà quasi a emissioni zero.

I calcoli preliminari suggeriscono che se il loro concetto funziona, Il biocarburante di alghe ha il potenziale per soddisfare le esigenze di tutti i combustibili per il trasporto degli Stati Uniti.

"Questo ha il potenziale per trasformare il panorama energetico come lo conosciamo, " ha detto Kim.

Una Nuova Economia Energetica

Il progetto di biocarburante alghe dell'USC Wrigley Institute continua un'eredità di ricerca energetica presso l'USC Dornsife che risale a decenni fa.

Entra nell'ufficio di G.K. Surya Prakash, direttore del Loker Hydrocarbon Research Institute della USC Dornsife, e troverai indizi in cui abita uno scienziato brillante e prolifico.

Una libreria rivestita di libri di testo di chimica organica di anni che insegnano i fondamenti agli studenti universitari si estende lungo la sua scrivania, che è coperto da pile ordinate di articoli scientifici alti quasi 2 piedi.

E se guardi da vicino, troverai una serie di strumenti curiosi che rivelano il lavoro della sua vita:un'elica di plastica delle dimensioni di un palmo attaccata a una cella a combustibile che funziona a metanolo; un fornello grande quanto un piatto da portata, alimentato anche da metanolo; e una piccola bottiglia di vetro riempita con quello che sembra detersivo per bucato in polvere.

Alzando la bottiglia, prakash, George A. e Judith A. Olah, premio Nobel per la cattedra in chimica degli idrocarburi e professore di chimica alla USC Dornsife, spiega che i modesti granuli bianchi sono un nuovo prodotto che utilizza la tecnologia sviluppata presso l'istituto per aiutare i grandi edifici a gestire la qualità dell'aria in modo più efficiente.

Le particelle, fabbricato per uso commerciale dalla società enVerid con una licenza da un brevetto Loker, assorbire e catturare l'anidride carbonica e altri contaminanti dell'aria.

"Pensa a qualsiasi grande edificio, "Dice Prakash. "Migliaia di persone respirano ossigeno ed espirano anidride carbonica".

Se i livelli di anidride carbonica aumentano troppo, le persone avranno vertigini o sonnolenza. Quindi tipicamente, i sistemi di ventilazione dell'edificio immetteranno aria dall'esterno ogni due ore per eliminare l'anidride carbonica e altri contaminanti. Questo processo utilizza una grande quantità di energia, Prakash spiega. Ma quando i granuli vengono immessi nel sistema HVAC, assorbe le impurità dell'aria e riduce il consumo energetico di un edificio dal 20 al 30 percento.

"È un modo per compensare l'anidride carbonica che è duplice, " dice; Ridurre la quantità di anidride carbonica nella circolazione dell'aria di un edificio riducendo anche l'impronta di carbonio dell'energia utilizzata per gestire la qualità dell'aria.

Prakash ha trascorso quattro decenni alla USC Dornsife pensando all'energia:ai modi per immagazzinarla e ai modi per sfruttarla. Quegli strumenti nel suo ufficio illustrano alcuni degli usi pratici di quella che è nota come economia del metanolo, il concetto visionario per la creazione di fonti di energia rinnovabile che ha originariamente sviluppato con il defunto professore di chimica della USC Dornsife George Olah, un premio Nobel ed ex collega e mentore di Prakash.

Il punto di partenza è l'anidride carbonica, un gas naturale che sta aumentando rapidamente nella nostra atmosfera principalmente a causa di attività umane come la combustione di combustibili fossili e la deforestazione. L'economia del metanolo, un modello in base al quale la chimica viene utilizzata per produrre metanolo al posto dei combustibili fossili per lo stoccaggio di energia, carburante e materie prime, cerca di utilizzare il carbonio come soluzione.

"La Terra non ha problemi energetici, " ha detto Prakash. "Ciò che ha è un accumulo di energia e un problema di vettore di energia.

"L'idea è che prenderemo l'anidride carbonica e la riconvertiremo in alcuni combustibili chimici e materie prime usando l'energia del sole, "Ha detto Prakash.

Il metanolo si crea facilmente in laboratorio, e a costi relativamente bassi, Aggiunge. L'infrastruttura esiste già per utilizzarla come combustibile e materia prima per sostituire i prodotti a base di petrolio.

Gli Stati Uniti sono stati lenti nell'adottare la tecnologia, principalmente perché le compagnie petrolifere non hanno molti incentivi finanziari per passare all'alternativa a combustione più pulita. Però, paesi come la Cina, Islanda, Israele e Svezia hanno adottato la fonte di combustibile rinnovabile per vari usi, principalmente per il trasporto. (Un impianto di produzione di metanolo rinnovabile gestito da Carbon Recycling International a Reykjavik, Islanda, porta il nome di Olah.)

L'India sta anche valutando come incorporare il metanolo come carburante per il trasporto e come gas da cucina per sostituire il cherosene ampiamente utilizzato, che produce inquinanti pericolosi, da qui il prototipo di una stufa a metanolo sulla scrivania di Prakash.

Un catalizzatore vincente per il cambiamento

Zhiyao Lu è uno studioso post-dottorato presso il Loker Hydrocarbon Research Institute. Prima di conseguire il dottorato di ricerca. in chimica alla USC Dornsife nel 2016, studiava scienze farmaceutiche. Ma i suoi interessi cominciarono a cambiare. Intorno al 2010, iniziò a vedere rapporti che mostravano che, poiché l'industria del biodiesel si espandeva e l'olio vegetale veniva utilizzato su scala più ampia, la glicerina grezza veniva prodotta in quantità crescenti.

"Sempre più finiva come rifiuto o come inquinante, "Lui ha detto. "Ho capito che era un problema, e mi sono posto questo obiettivo per fornire almeno una soluzione per migliorare la situazione".

Ha deciso di trovare un modo per trasformare il materiale di scarto in qualcosa di prezioso. Lavorando con il professore di chimica USC Dornsife Travis Williams, he developed a catalyst that enables an exceptionally efficient chemical transformation that converts glycerin into lactate. Usually derived from plants, lactate is a valuable natural preservative and antimicrobial agent with a wide range of applications. Most often it is used in cosmetics and soaps.

Lu was interested in commercializing their findings. Williams encouraged him to pursue support to translate their research. Così, 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.

Di conseguenza, 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. Proprio adesso, 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."