Před několika lety, jsem se rozhodl zkusit porozumět tomu, zda by bylo možné vytvořit biopaliva, v takovém měřítku, v kterém by byla schopna soupeřit s fosilními palivy, ale nesoupeřit se zemědělstvím o vodu, hnojivo a půdu.
Some years ago, I set out to try to understand if there was a possibility to develop biofuels on a scale that would actually compete with fossil fuels but not compete with agriculture for water, fertilizer or land.
Zde je to, na co jsem přišel. Představte si, že pod vodu umístíme nádobu, naplníme ji odpadní vodou a některou formou mikroskopických řas, která produkují olej. To vše uděláme z flexibilního materiálu, který bude schopen pohybovat se s vlnami. Tento vytvořený systém bude samozřejmě, využívat solární energii k růstu těchto řas, k čemuž budou využívat CO2, což je pozitvní a tím budou produkovat kyslík. Tyto rostoucí řasy jsou umístěny v nádobě, která distribuuje teplo okolí. Můžeme je vzít a využít je pro biopaliva, kosmetiku, hnojiva a zvířecí potravu. Samozřejmě bychom museli využít velkou plochu tak, abychom se nemuseli obávat o jiné subjekty jako rybáře, lodě atd. ale přece, my mluvíme o biopalivech, známe důležitost využití potenciálu alternativních tekutých paliv.
So here's what I came up with. Imagine that we build an enclosure where we put it just underwater, and we fill it with wastewater and some form of microalgae that produces oil, and we make it out of some kind of flexible material that moves with waves underwater, and the system that we're going to build, of course, will use solar energy to grow the algae, and they use CO2, which is good, and they produce oxygen as they grow. The algae that grow are in a container that distributes the heat to the surrounding water, and you can harvest them and make biofuels and cosmetics and fertilizer and animal feed, and of course you'd have to make a large area of this, so you'd have to worry about other stakeholders like fishermen and ships and such things, but hey, we're talking about biofuels, and we know the importance of potentially getting an alternative liquid fuel.
Proč mluvíme o řasách? Tady vidíte graf ukazující rozdílné druhy plodin, které jsou zvažované jako zdroj biopaliv. Tedy můžete vidět například sojové boby, které produkují 40 litrů na km2 za rok nebo slunečnici, řepku, jatrophu, palmu, ty vysoké hodnoty napravo ukazují, čeho mohou dosáhnout řasy. To je třeba říci, řasy dosahují něco mezi 76 a 189 hl na km2 za rok, v porovnání s 40 l na km2 za rok u sóje.
Why are we talking about microalgae? Here you see a graph showing you the different types of crops that are being considered for making biofuels, so you can see some things like soybean, which makes 50 gallons per acre per year, or sunflower or canola or jatropha or palm, and that tall graph there shows what microalgae can contribute. That is to say, microalgae contributes between 2,000 and 5,000 gallons per acre per year, compared to the 50 gallons per acre per year from soy.
Tedy, co jsou mikroskopické řasy? Mikroskopické řasy jsou mikro-- to je to, jsou velmi malé, jak zde můžete vidět na obrázku těchto jednobuněčných organismů, v porovnání s lidským vlasem. Tyto malé organismy jsou kolem nás miliony let a ve škále tisíců rozdílných druhů jednobuněčných oranismů, některé z nich jsou nejrychleji rostoucí rostliny na zemi a produkují, jak jsem ukázal, mnoho a mnoho oleje.
So what are microalgae? Microalgae are micro -- that is, they're extremely small, as you can see here a picture of those single-celled organisms compared to a human hair. Those small organisms have been around for millions of years and there's thousands of different species of microalgae in the world, some of which are the fastest-growing plants on the planet, and produce, as I just showed you, lots and lots of oil.
Nyní, proč to chceme vytvořit mimo pevninu? Dobře, ten důvod proč to tvoříme mimo pevninu je, že když se podíváme na naše pobřežní města, vidíme, že nemáme na výběr, protože využijeme odpadní vodu tak, jak jsem navrhl a jestli se podíváme, kde je nejvíce čističek odpadních vod, zjistíme, že jsou zakořeněny ve městech. Toto je San Francisco, které má 1440 km kanalizačního potrubí pod městem již nyní a vyprodukovanou odpadní vodu vypouští do moře. Tedy, různá města na světě zacházejí s odpadní vodou odlišně. Některá ji zpracovávají, některá ji pouze vypouští do okolí. Ale ve všech případech, voda, která je vypouštěna zcela dostačuje k růstu mikroskopických řas. Představme si, jak by tento systém mohl vypadat. My jej nazýváme OMEGA, což je zkratka pro Mořské Membránové Ohrazení pro Pěstování Řas (Offshore Membrane Enclosures for Growing Algae). V NASA, musíte mít dobrou zkratku.
Now, why do we want to do this offshore? Well, the reason we're doing this offshore is because if you look at our coastal cities, there isn't a choice, because we're going to use waste water, as I suggested, and if you look at where most of the waste water treatment plants are, they're embedded in the cities. This is the city of San Francisco, which has 900 miles of sewer pipes under the city already, and it releases its waste water offshore. So different cities around the world treat their waste water differently. Some cities process it. Some cities just release the water. But in all cases, the water that's released is perfectly adequate for growing microalgae. So let's envision what the system might look like. We call it OMEGA, which is an acronym for Offshore Membrane Enclosures for Growing Algae. At NASA, you have to have good acronyms.
Tedy, jak to funguje? Trochu jsem vám to již ukázal. Vložíme odpadní vodu a nějaký zdroj CO2 do našich plovoucích konstrukcí, přičemž odpadní voda poskytuje růstové živiny řasám, ty pohlcují CO2, které by jinak šlo pryč do atmosféry jako skleníkový plyn. K růstu samozřejmě využívají sluneční energii a vlny na hladině poskytují energii na promíchávání řas a teplota je stabilizována teplotou okolní vody. Jak jsem již zmínil, tyto řasy produkují při růstu kyslík a také biopaliva, hnojiva, potravu a jiné využitelné řasové produkty.
So how does it work? I sort of showed you how it works already. We put waste water and some source of CO2 into our floating structure, and the waste water provides nutrients for the algae to grow, and they sequester CO2 that would otherwise go off into the atmosphere as a greenhouse gas. They of course use solar energy to grow, and the wave energy on the surface provides energy for mixing the algae, and the temperature is controlled by the surrounding water temperature. The algae that grow produce oxygen, as I've mentioned, and they also produce biofuels and fertilizer and food and other bi-algal products of interest.
Tento system je kompaktní. Co tím myslím? Je přizpůsobivý. Řekněme, že se něco stane jednomu z modulů, něco naprosto nečekaného. Bude prosakovat. Bude zasažen bleskem. Odpadní voda, která uniká, je již voda, která je vypouštěna do pobřežního prostředí, uniklé řasy jsou biologicky odbouratelné a jelikož žijí v odpadní vodě, nesnesou čerstvou vodu, což znamená, že nemohou žít ve slané vodě a zemřou. Plastový materiál, který použijeme, bude dobře známý plast, s kterým máme dobré zkušenosti a moduly budou takové stavby, aby mohli být znovu použity.
And the system is contained. What do I mean by that? It's modular. Let's say something happens that's totally unexpected to one of the modules. It leaks. It's struck by lightning. The waste water that leaks out is water that already now goes into that coastal environment, and the algae that leak out are biodegradable, and because they're living in waste water, they're fresh water algae, which means they can't live in salt water, so they die. The plastic we'll build it out of is some kind of well-known plastic that we have good experience with, and we'll rebuild our modules to be able to reuse them again.
Když nad tím přemýšlím, my jsme tedy schopni vytvořit systém, který vám ukazuji a to je třeba říci. My se musíme zamýšlet nad vodou, nad čerstvou vodou, která také bude vážným tématem budoucnosti. Pracujeme na metodách úpravy odpadní vody.
So we may be able to go beyond that when thinking about this system that I'm showing you, and that is to say we need to think in terms of the water, the fresh water, which is also going to be an issue in the future, and we're working on methods now for recovering the waste water.
Další věc pro zvážení je vlastní konstrukce. Ona poskytuje povrch pro různé věci v oceáně a tento povrch, který je pokrytý mořskými řasami a jinými oceánskými organismy, se samo stane mořským prostředím a tím tedy zvýší biodiverzitu. A konečně, protože je to mořská konstrukce, můžeme zvážit, jak to přispěje k akvakulturní aktivitě mořského prostředí.
The other thing to consider is the structure itself. It provides a surface for things in the ocean, and this surface, which is covered by seaweeds and other organisms in the ocean, will become enhanced marine habitat so it increases biodiversity. And finally, because it's an offshore structure, we can think in terms of how it might contribute to an aquaculture activity offshore.
Tedy, vy si pravděpodobně myslíte: " To zní jako dobrý nápad. Co můžeme udělat, abychom viděli, jestli to tak opravdu funguje?" No, já jsem založil laboratoře v Santa Cruz při kalifornském ústavu pro rybářství a myslivost, toto zařízení nám umožňuje mít velké nádrže s mořskou vodu pro vyzkoušení těchto nápadů. Také jsme začali experimenty v San Fraciscu na jedné ze tří čističek odpadní vody, opět se jedná o zařízení pro ověřování nápadů. A nakonec, bychom chtěli vědět, jaký by byl dopad této konstrukce na mořské prostředí, proto jsme vytvořili takové zařízení na místě nazývaném Moss Landing Marine Lab v Monterey Bay, kde pracujeme v přístavu, abychom zjistili dopady na mořské organismy
So you're probably thinking, "Gee, this sounds like a good idea. What can we do to try to see if it's real?" Well, I set up laboratories in Santa Cruz at the California Fish and Game facility, and that facility allowed us to have big seawater tanks to test some of these ideas. We also set up experiments in San Francisco at one of the three waste water treatment plants, again a facility to test ideas. And finally, we wanted to see where we could look at what the impact of this structure would be in the marine environment, and we set up a field site at a place called Moss Landing Marine Lab in Monterey Bay, where we worked in a harbor to see what impact this would have on marine organisms.
Laboratoř, kterou jsme založili v Santa Cruz, byla náš rozvojový projekt. Bylo to místo, kde jsme pěstovali řasy, svařovali plasty, vytvářeli nástroje, a dělali mnoho chyb, nebo, jak říká Edison, my jsme hledali těch 10 000 způsobů, kterými by náš systém nemohl fungovat. Nyní, pěstujeme řasy v odpadní vodě a stavíme zařízení, která nám dovolují nahlédnout do života řas, můžeme monitorovat jejich růst, zjistit, co jim prospívá, ujišťujeme se, že budeme mít buněčné kultury, které přežijí a bude se jim dařit. Tedy nejdůležitějším prvkem, který bylo potřeba vyvinout byly tzv. fotobioreaktory nebo také PBRs (photobioreactors) To jsou ty konstrukce plovoucí na hladině, vytvořené z levného plastu, který dovoluje řasám růst. Postavili jsme mnoho a mnoho konceptů, většina z nich byla hrozná chyba, ale když jsme nakonec dostali fungující koncept na 100 litrů, zvětšili jsme jej na 1 700 litrů v San Franciscu.
The laboratory that we set up in Santa Cruz was our skunkworks. It was a place where we were growing algae and welding plastic and building tools and making a lot of mistakes, or, as Edison said, we were finding the 10,000 ways that the system wouldn't work. Now, we grew algae in waste water, and we built tools that allowed us to get into the lives of algae so that we could monitor the way they grow, what makes them happy, how do we make sure that we're going to have a culture that will survive and thrive. So the most important feature that we needed to develop were these so-called photobioreactors, or PBRs. These were the structures that would be floating at the surface made out of some inexpensive plastic material that'll allow the algae to grow, and we had built lots and lots of designs, most of which were horrible failures, and when we finally got to a design that worked, at about 30 gallons, we scaled it up to 450 gallons in San Francisco.
Ukážu Vám, jak tento systém funguje. V podstatě vezmeme odpadní vodu s vybranými řasami a poženeme je skrz tyto plovoucí konstrukce, válcové, flexibilní plastové konstrukce. Necháme je tu cirkulovat se slunečním zářením dopadající na jejich povrch a řasy porostou díky příjmu živin.
So let me show you how the system works. We basically take waste water with algae of our choice in it, and we circulate it through this floating structure, this tubular, flexible plastic structure, and it circulates through this thing, and there's sunlight of course, it's at the surface, and the algae grow on the nutrients.
Ale to je trošku jako navlečení si sáčku na hlavu. Řasy se nebudou dusit kvůli CO2 jako my. Ony se dusí, protože produkují kyslík, ony se ve skutečnosti nedusí, ale vzniklý kyslík je problematický a řasy vypotřebují všechen CO2. Tedy další neodkladná věc byla, jak můžeme odstranit kyslík, což jsme udělali postavením tohoto trychtýře, ve kterém cirkuluje část vody a navrací CO2, což jsme udělali probubláváním systému před tím než vrátíme vodu zpět. Tady vidíte prototyp, na kterém jsme se poprvé pokusili vyzkoušet tento typ trychtýře. Větší trychtýř, který jsme pak v San Franciscu použili v systému.
But this is a bit like putting your head in a plastic bag. The algae are not going to suffocate because of CO2, as we would. They suffocate because they produce oxygen, and they don't really suffocate, but the oxygen that they produce is problematic, and they use up all the CO2. So the next thing we had to figure out was how we could remove the oxygen, which we did by building this column which circulated some of the water, and put back CO2, which we did by bubbling the system before we recirculated the water. And what you see here is the prototype, which was the first attempt at building this type of column. The larger column that we then installed in San Francisco in the installed system.
Vlastně ten trychtýř měl ještě jinou velmi dobrou vlastnost, a to, že se v něm řasy usazují, což nám dovoluje sbírat tuto řasovou biomasu a jednoduše ji sklidit. Tedy bychom mohli vzít řasy, které se koncentrují na dně trychtýře a potom bychom je mohli sklidit procedurou, kdybychom je nechali vyplout na povrch a sesbírali je síťkou.
So the column actually had another very nice feature, and that is the algae settle in the column, and this allowed us to accumulate the algal biomass in a context where we could easily harvest it. So we would remove the algaes that concentrated in the bottom of this column, and then we could harvest that by a procedure where you float the algae to the surface and can skim it off with a net.
My jsme také chtěli zjistit, jaký by byl dopad tohoto systému na mořský ekosystém. Jak jsem zmínil, začali jsme pokus v terénu v Moss Landing Marine Lab. Zjistili jsme, že ten materiál přerostl řasami, proto jsme potřebovali vyvinout čistící proces. Také jsme sledovali vliv na mořské ptáky a savce. A zde vidíte mořskou vydru, která o to měla neuvěřitelný zájem a která v pravidelných intervalech přeplouvala přes tuto malou plovoucí vodní postel. My jsme ji chtěli najmout nebo vytrénovat, tak aby čistila povch těchto modulů, ale to je jen budoucnost.
So we wanted to also investigate what would be the impact of this system in the marine environment, and I mentioned we set up this experiment at a field site in Moss Landing Marine Lab. Well, we found of course that this material became overgrown with algae, and we needed then to develop a cleaning procedure, and we also looked at how seabirds and marine mammals interacted, and in fact you see here a sea otter that found this incredibly interesting, and would periodically work its way across this little floating water bed, and we wanted to hire this guy or train him to be able to clean the surface of these things, but that's for the future.
A teď, co jsme dělali: pracovali jsme na čtyřech oblastech. Náš výzkum se zabýval biologií systému, což zahrnuje studium způsobu růstu řas, ale také co se jimi živí a co je zabijí. Chtěli jsme porozumět, co bychom potřebovali abychom mohli postavit tyto konsrukce a to ne pouze v malém měřítku, ale v obrovském, které bude opravdu potřeba. Zmínil jsem, že jsme pozorovali ptáky a mořské savce, sledovali jsme dopad našeho systému na ekosystém. A také nás zajímaly ekonomické aspekty, co myslím tím ekonomické, kolik energie je zapotřebí pro funkci našeho systému? Dostaneme více energie z našeho systému než do něj vložíme za účelem toho, aby fungoval? Jaké jsou provozní náklady? Jaké jsou investiční náklady? A jaká je celá ekonomika provozu?
Now really what we were doing, we were working in four areas. Our research covered the biology of the system, which included studying the way algae grew, but also what eats the algae, and what kills the algae. We did engineering to understand what we would need to be able to do to build this structure, not only on the small scale, but how we would build it on this enormous scale that will ultimately be required. I mentioned we looked at birds and marine mammals and looked at basically the environmental impact of the system, and finally we looked at the economics, and what I mean by economics is, what is the energy required to run the system? Do you get more energy out of the system than you have to put into the system to be able to make the system run? And what about operating costs? And what about capital costs? And what about, just, the whole economic structure?
Musím Vám říci, že to nebude lehké, čeká nás ještě mnoho práce ve všech čtyřech oblastech, abychom to mohli rozběhnout. My ale nemáme moc času, chtěl bych vám ukázat uměleckou koncepci, jak by náš systém mohl vypadat, pokud se budeme nacházet v chráněném zálivu, v jakékoli části světa a budeme mít v pozadí tento obrázek, čističky odpadní vody a zdroj přívodu plynu CO2. Když však spočítáte ekonomickou stránku systému, zjistíte, že bude obtížné to rozběhnout. Pokud se nebudete na tento systém dívat, jako na cestu nakládání se znečištěnou vodou, skladování uhlíku a potenciálně pro fotovoltaické panely nebo případně přílivové či větrné zdroje energie. Jestli začnete přemýšlet z pohledu propojení těchto všech různých možností, mohli byste také zahrnout takové věci, jako akvakulturní zařízení. Takhle bychom mohli chovat korýše, pěstovat slávky nebo hřebenatky. Pěstovali bychom ústřice a další organismy, které by produkovaly hodnotné produkty a jídlo. To by byl tržní pohon, jak bychom budovali systém ve větším a větším měřítku, čímž by to mohlo převážit nad pouhým využitím pro produkci paliv.
So let me tell you that it's not going to be easy, and there's lots more work to do in all four of those areas to be able to really make the system work. But we don't have a lot of time, and I'd like to show you the artist's conception of how this system might look if we find ourselves in a protected bay somewhere in the world, and we have in the background in this image, the waste water treatment plant and a source of flue gas for the CO2, but when you do the economics of this system, you find that in fact it will be difficult to make it work. Unless you look at the system as a way to treat waste water, sequester carbon, and potentially for photovoltaic panels or wave energy or even wind energy, and if you start thinking in terms of integrating all of these different activities, you could also include in such a facility aquaculture. So we would have under this system a shellfish aquaculture where we're growing mussels or scallops. We'd be growing oysters and things that would be producing high value products and food, and this would be a market driver as we build the system to larger and larger scales so that it becomes, ultimately, competitive with the idea of doing it for fuels.
Vždy nastává velká otázka, protože plast v oceánu má opravdu špatnou pověst, přemýšlíme o ekologicky nezávadném řešení. Co se chystáme dělat s plastem, který budeme potřebovat v našem mořském ekosystému? Já nevím, jestli tom víte, ale v Kalifornii je velké množství plastu, které se používá na polích jako mulč, což je plast, který vytváří tyto malé skleníky přímo v úrovni půdy a poskytuje teplo půdě pro prodloužení sezóny, pomáhá nám to mít pod kontrolou plevel a samozřejmě to zvyšuje účinnost zavlažování. Tedy OMEGA systém bude tato část výstupu a když skončíme užívání plastu v mořském ekosystému, použijeme jej, doufejme, na polích.
So there's always a big question that comes up, because plastic in the ocean has got a really bad reputation right now, and so we've been thinking cradle to cradle. What are we going to do with all this plastic that we're going to need to use in our marine environment? Well, I don't know if you know about this, but in California, there's a huge amount of plastic that's used in fields right now as plastic mulch, and this is plastic that's making these tiny little greenhouses right along the surface of the soil, and this provides warming the soil to increase the growing season, it allows us to control weeds, and, of course, it makes the watering much more efficient. So the OMEGA system will be part of this type of an outcome, and that when we're finished using it in the marine environment, we'll be using it, hopefully, on fields.
Kde se to chytáme postavit a jak to bude vypadat na moři? Tady je obrázek, jak by to vypadalo v zátoce v San Franciscu. San Francisco produkuje 250 milionů litrů odpadní vody denně, pokud bychom na 5 dní zastavili tento odpadní systém, potřebovali bychom uložit 1,2 mld litrů, což by bylo okolo 5 km2 OMEGA modulů v zálivu v San Franciscu. To je méně, něž jedno procento hladiny zmíněného zálivu. Produkce by byla 1,8 milionů litru na km2 za rok, což by bylo 7,5 milionů litrů paliva, což je okolo 20 % bionafty, nebo nafta spotřebovaná San Franciscem, a to bez snah o zvýšení účinnosti.
Where are we going to put this, and what will it look like offshore? Here's an image of what we could do in San Francisco Bay. San Francisco produces 65 million gallons a day of waste water. If we imagine a five-day retention time for this system, we'd need 325 million gallons to accomodate, and that would be about 1,280 acres of these OMEGA modules floating in San Francisco Bay. Well, that's less than one percent of the surface area of the bay. It would produce, at 2,000 gallons per acre per year, it would produce over 2 million gallons of fuel, which is about 20 percent of the biodiesel, or of the diesel that would be required in San Francisco, and that's without doing anything about efficiency.
Kde jinde bychom mohli potenciálně využít tento systém? Je mnoho možností. Samozřejmě záliv v San Franciscu, jak jsem zmínil. Jiný příklad je záliv v San Diegu, Mobilský záliv nebo zátoka Chesapeake, ale pravda je to, že s rostoucí hladinou moře, bude připadat v úvahu více a více možností.
Where else could we potentially put this system? There's lots of possibilities. There's, of course, San Francisco Bay, as I mentioned. San Diego Bay is another example, Mobile Bay or Chesapeake Bay, but the reality is, as sea level rises, there's going to be lots and lots of new opportunities to consider. (Laughter)
Tedy to, o čem vám tu vyprávím, je systém integrovaných technologií. Produkce biopaliv je integrovaná s alternativní energií je integrovaná s akvakulturou.
So what I'm telling you about is a system of integrated activities. Biofuels production is integrated with alternative energy is integrated with aquaculture.
Já jsem se vydal hledat cestu inovativní produkce obnovitelných biopaliv a na cestě jsem zjistil, že potřebnější pro udržitelnost je integrace více než inovace.
I set out to find a pathway to innovative production of sustainable biofuels, and en route I discovered that what's really required for sustainability is integration more than innovation.
Již dlouhou dobu věřím v naši společnou a sdílenou vynalézavost. Myslím, že téměř neexistují bariéry pro to, čeho můžeme dosáhnout, pokud jsme otevření a nestaráme se o to, kdo slízne smetanu. Udržitelná řešení našich budoucích problémů budou velmi rozmanitá a bude jich mnoho. Myslím si, že musíme zvážit vše, vše od alfa po OMEGA. Děkuji vám. (Potlesk) (Potlesk) Chris Anderson: Jen rychlá otázka, Jonathane. Může tento projekt pokračovat pod záštitou NASA nebo potřebujete velmi ambiciózní fond podporující zelenou energie, který by vás vzal pod křídla? Jonathan Trent: Teď přichází na scénu otázka, jak by to chtěla NASA rozšířit, v něco dalekosáhlého. Máme mnoho problémů s aplikací ve Spojených Státech, kvůli svazujícím povolením a času potřebného k získání povolení k rozšíření. V tuto chvíli, velmi potřebujeme, lidi z vnějšku. Jsme velmi otevřeni poskytnout tuto technologii, předat ji komukoli a všem, kdo má zájem, podílet se a zkusit ji realizovat. CA: To je zajímavé. Vy to nebudete patentovat? Vy to zveřejníte. JT: Přesně. CA: Dobře. Velmi vám děkuji. JT: Děkuji (Potlesk)
Long term, I have great faith in our collective and connected ingenuity. I think there is almost no limit to what we can accomplish if we are radically open and we don't care who gets the credit. Sustainable solutions for our future problems are going to be diverse and are going to be many. I think we need to consider everything, everything from alpha to OMEGA. Thank you. (Applause) (Applause) Chris Anderson: Just a quick question for you, Jonathan. Can this project continue to move forward within NASA or do you need some very ambitious green energy fund to come and take it by the throat? Jonathan Trent: So it's really gotten to a stage now in NASA where they would like to spin it out into something which would go offshore, and there are a lot of issues with doing it in the United States because of limited permitting issues and the time required to get permits to do things offshore. It really requires, at this point, people on the outside, and we're being radically open with this technology in which we're going to launch it out there for anybody and everybody who's interested to take it on and try to make it real. CA: So that's interesting. You're not patenting it. You're publishing it. JT: Absolutely. CA: All right. Thank you so much. JT: Thank you. (Applause)