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.
Alcuni anni fa cercavo di capire se fosse possibile sviluppare i biocarburanti a un livello tale da competere con i combustibili fossili, ma senza competere con l'agricoltura per acqua, fertilizzanti o terra.
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.
Ecco cosa mi è venuto in mente. Immaginate un bacino collocato appena sotto la superficie dell'acqua, in cui immettere acque reflue e alcuni tipi di microalghe che producono olio, una struttura costruita con un tipo di materiale flessibile che segue il moto ondoso; il dispositivo che realizzeremo userà, naturalmente, la luce solare per far crescere le alghe, e queste assorbiranno CO2, il che è positivo, e produrranno ossigeno man mano che crescono. Il bacino in cui crescono le alghe propaga calore alle acque circostanti, e le alghe si possono utilizzare per biocarburanti, cosmetici, fertilizzanti e mangimi. Certo servirebbe una vasta area per la coltivazione, il che interferirebbe con le attività di pescatori, navi e simili. Ma attenzione, stiamo parlando di biocarburanti, e sappiamo quanto sia importante poter contare su un combustibile liquido alternativo.
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.
Perché abbiamo considerato le microalghe? Qui vedete un grafico che mostra i diversi tipi di colture attualmente impiegate per i biocarburanti. Ci sono vegetali come la soia, con una resa di 190 litri per ettaro all'anno, o il girasole, la colza, la jatropha o la palma, e il valore più alto è quello relativo alle microalghe. Vale a dire, tra circa 7.500 e 19.000 litri per ettaro all'anno, rispetto ai 190 litri per ettaro all'anno dalla soia.
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.
Ma che sono le microalghe? Sono alghe microscopiche, cioè sono estremamente piccole, e nella foto vedete le dimensioni di questi organismi unicellulari rispetto a un capello umano. Questi piccoli organismi esistono da milioni di anni, e ci sono migliaia di specie diverse di microalghe in tutto il mondo, con esemplari a maggiore velocità di crescita di tutto il pianeta, e che producono, come vi ho appena indicato, tantissimo olio.
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.
Ora, perché dovremmo utilizzare le coste? Beh, il motivo è che, considerando l'ubicazione delle nostre città costiere, non c'è altra scelta, per via dell'impiego di acque reflue, come vi dicevo, e la maggior parte degli impianti di depurazione delle acque reflue si trovano nelle città costiere. Questa è la città di San Francisco, che ha già 1450 km di condotte fognarie che riversano le acque reflue in mare. Ogni città del mondo tratta le proprie acque reflue in modo diverso. Alcune le filtrano. Altre semplicemente le rilasciano. Ma in ogni caso, l'acqua che fuoriesce è l'ideale per la coltivazione di microalghe. Ma vediamo come sarebbe un sistema del genere. Noi lo chiamiamo OMEGA, acronimo di *Offshore Membrane Enclosures for Growing Algae*. Alla NASA bisogna ideare dei buoni acronimi.
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.
Ma come funziona? Vi ho già dato qualche accenno. Immettiamo acque reflue e prodotti che generano CO2 nella struttura galleggiante. I liquami forniscono alle alghe i nutrienti per crescere, e catturano la CO2 che altrimenti si disperderebbe nell'atmosfera sotto forma di gas serra. Utilizzano ovviamente luce solare per crescere, e l'energia delle onde sulla superficie fornisce energia per miscelare le alghe, e la temperatura è controllata da quella dell'acqua circostante. Le alghe che crescono producono ossigeno, come ho già detto, e producono anche biocarburanti, fertilizzanti, cibo e altri prodotti pregiati.
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.
Il sistema è confinato. Cosa intendo dire? Che è modulare. Supponiamo che qualcosa di totalmente inaspettato accada a uno dei moduli, ad esempio una perdita o un fulmine. Il liquame che fuoriesce si diffonde nel vicino ambiente costiero; e siccome le alghe che escono sono biodegradabili e vivono nelle acque reflue, sono di acqua dolce, il che significa che non possono vivere in acqua salata, quindi muoiono. La plastica utilizzata per la struttura è un materiale che abbiamo ampiamente testato, e nostri moduli saranno riutilizzabili.
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.
Ma possiamo spingerci oltre il tipo di sistema che vi sto mostrando, bisogna concepirlo in termini di acqua, di acqua dolce, che diventerà anche un problema in futuro, e noi stiamo lavorando, oggi, su metodi per il recupero delle acque reflue.
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.
L'altra cosa da considerare è la struttura stessa, che fornisce una superficie ad altri organismi; e questa superficie, ricoperta di alghe marine e di altri organismi acquatici, diventerà un habitat marino migliorato che aumenta la biodiversità. Infine, essendo una struttura collocata in mare aperto, possiamo pensare a come potrebbe contribuire ad una attività di acquacoltura.
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.
Probabilmente state pensando: "Accidenti, sembra una buona idea. Cosa possiamo fare per vedere se è fattibile?" Beh, ho aperto dei laboratori a Santa Cruz negli impianti della *California Fish and Game*; lì ci hanno permesso di usare grandi vasche di acqua di mare per testare alcune di queste idee. Abbiamo anche condotto esperimenti a San Francisco, nella struttura di uno dei tre impianti di depurazione, dove testare le nostre idee. E, infine, volevamo capire quale impatto avrebbe avuto questa struttura sull'ambiente marino, e abbiamo attrezzato un sito nella località detta *Moss Landing Marine Lab* nella Baia di Monterey, una rada dove poter verificare l'impatto sugli organismi marini.
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.
Il laboratorio di Santa Cruz era il nostro centro sperimentale. Un posto dove coltivavamo le alghe, saldavamo la plastica, costruivamo strumenti e facevamo un sacco di errori, o, per dirla con Edison, dove cercavamo i 10.000 modi che avrebbero inceppato il sistema. Abbiamo coltivato alghe nelle acque reflue, realizzando strumenti che ci permettevano di entrare nella vita delle alghe per monitorare il modo in cui crescevano, cosa le faceva star bene, e come garantire la sopravvivenza e la prosperità delle colture. I congegni più importanti da sviluppare sono stati i cosiddetti fotobioreattori o PBR. Erano strutture che galleggiavano in superficie, fatte di un materiale plastico economico, che avrebbero favorito la crescita delle alghe. Abbiamo costruito un sacco di modelli, molti dei quali sono stati dei terribili fallimenti, e quando finalmente ne abbiamo fatto uno che funzionava, per circa 115 litri, l'abbiamo maggiorato per 1700 litri a San Francisco.
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.
Vi faccio vedere come funziona. In pratica, prendiamo acque reflue con alghe selezionate e le pompiamo attraverso questa struttura galleggiante, questa struttura tubolare di plastica flessibile. E queste circolano attraverso questa cosa, e in superficie c'è ovviamente luce solare, e le alghe crescono sui nutrienti.
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.
Ma è un po' come infilare la testa in un sacchetto di plastica. Le alghe non soffocano per l'anidride carbonica, come succederebbe a noi. Soffocano perché producono ossigeno, e in realtà non soffocano, ma l'ossigeno che producono è problematico, e consumano tutta la CO2. Il passo successivo è stato trovare il modo per rimuovere l'ossigeno, conseguito grazie a questa colonna che pompa una parte dell'acqua e restituisce la CO2 facendo gorgogliare il sistema prima di rimettere l'acqua in circolazione. Quello che vedete qui è il prototipo, il primo tentativo di costruzione di questo tipo di colonna. La colonna più grande che poi abbiamo montato a San Francisco nel sistema lì installato.
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.
Un'altra caratteristica molto interessante di questa colonna è che le alghe colonizzano la colonna, e questo ci ha permesso di accumulare la biomassa algale in un ambiente che ne facilitava la raccolta. Abbiamo rimosso le alghe concentrate sul fondo della colonna, e poi abbiamo raccolto il tutto mediante una procedura con cui le alghe rimangono in superficie e si possono rimuovere con una rete.
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.
Volevamo anche studiare quale fosse l'impatto di questo sistema sull'ambiente marino, e come ho detto, abbiamo preparato l'esperimento al *Moss Landing Marine Lab*. Naturalmente, abbiamo trovato questo materiale ricoperto di alghe, e bisognava sviluppare una procedura per la pulizia. Abbiamo anche visto come interagivano gli uccelli e i mammiferi marini. Ecco qui una lontra marina che ha trovato il tutto incredibilmente interessante, che periodicamente si faceva strada attraverso il letto galleggiante, e avevamo pensato di utilizzarla addestrandola a pulire la superficie della struttura, ma è un progetto per il futuro.
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?
Ora, in realtà stavamo lavorando su quattro aree. La nostra ricerca si è incentrata sulla biologia del sistema, che comprendeva lo studio della crescita delle alghe, ma anche della nutrizione e di ciò che le uccide. Abbiamo fatto calcoli ingegneristici per stabilire cosa servisse per la costruzione di questa struttura, non solo su piccola scala, ma anche sull'enorme scala che alla fine sarà necessaria. Ho già detto che abbiamo studiato gli uccelli e i mammiferi marini, l'impatto ambientale che avrà il sistema, e, infine, gli aspetti economici, e per economia intendo la quantità di energia necessaria al funzionamento del sistema. Si ottiene più energia dal sistema di quanta se ne immette per farlo funzionare? E che dire dei costi operativi, dell'investimento di capitale e del costo dell'intera struttura economica?
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.
Lasciatemi dire che non sarà facile. C'è ancora molto lavoro da fare in queste quattro aree per poter davvero far funzionare il sistema. Ma non abbiamo tanto tempo, e vorrei mostrarvi un'immagine di come potrebbe essere questo sistema se ci trovassimo in una baia protetta da qualche parte nel mondo; sullo sfondo vediamo l'impianto di trattamento delle acque reflue e una fonte di gas di scarico per la CO2, ma se si valuta l'aspetto economico del sistema si scopre che in realtà sarà difficile farlo decollare. A meno che non venga visto come un modo per trattare le acque reflue e catturare anidride carbonica, e come piattaforma per l'energia fotovoltaica, del moto ondoso o anche eolica. Se si inizia a pensare all'integrazione di tutte queste diverse attività, si potrebbe anche includere l'acquacoltura. In questo sistema avremmo l'acquacoltura per l'allevamento di cozze o capesante, ostriche e altri organismi per il confezionamento di prodotti ad alto valore, e questo sarebbe determinante per la realizzazione di sistemi sempre più grandi, così da renderli, infine, più attraenti rispetto alla sola produzione di carburante.
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.
Ma sorge sempre un grande dubbio, per via della pessima reputazione dei rifiuti di plastica in mare, dunque abbiamo pensato alle possibilità di riciclo. Cosa ci faremo con tutta quella plastica che dovremo utilizzare nel nostro ambiente marino? Beh, non so se lo sapete, ma in California c'è una quantità enorme di plastica che viene utilizzata in agricoltura come pacciame. Sono teli di plastica che formano delle piccole serre sulla superficie del suolo, che forniscono calore al terreno prolungando la stagione di crescita, limitano la crescita di erbe infestanti e, naturalmente, ottimizzano l'irrigazione. Il sistema OMEGA farà parte di questo tipo di risultato, e quando avremo finito di usarla nell'ambiente marino, si spera che venga usata nei campi.
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.
Dove lo collocheremo, e che aspetto avrà in mare? Ecco ciò che potremmo fare nella Baia di San Francisco. San Francisco produce circa 250 milioni di litri di acque reflue al giorno. Se immaginiamo un tempo di ritenzione di 5 giorni per questo sistema, ci vorrebbe una capacità di 1.250 milioni litri, o l'equivalente di circa 520 ettari di questi moduli OMEGA nella Baia di San Francisco. Beh, sarebbe meno dell'1% della superficie della baia. Produrrebbe circa 18.000 litri per ettaro all'anno, quindi oltre 7,5 milioni di litri di carburante, che è circa il 20% del biodiesel o del diesel che sarebbe necessario a San Francisco, e tutto questo senza lavorare sull'efficienza.
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)
In quale altro luogo potremmo installare questo sistema? Ci sono molte possibilità. C'è, ovviamente, la Baia di San Francisco, come ho già detto. La baia di San Diego è un altro esempio, la Mobile Bay o la Baia di Chesapeake, ma la realtà è che con l'innalzamento del livello del mare, ci saranno molte nuove opportunità da considerare. (Risate)
So what I'm telling you about is a system of integrated activities. Biofuels production is integrated with alternative energy is integrated with aquaculture.
Vi sto parlando di un sistema di attività integrate. La produzione di biocarburanti è integrata con l'energia alternativa che a sua volta è integrata con l'acquacoltura.
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.
Ho cercato di trovare una strada per la produzione innovativa di biocarburanti sostenibili, e lungo il percorso ho scoperto che la cosa davvero necessaria per la sostenibilità è l'integrazione piuttosto che l'innovazione.
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)
A lungo termine, ho grande fiducia nella nostra ingegnosità collettiva e connettiva. Penso che non ci sia quasi limite a ciò che possiamo compiere se siamo radicalmente aperti e non ci importa a chi vada il credito. Le soluzioni sostenibili ai nostri problemi futuri saranno diverse e saranno molteplici. Penso che non possiamo tralasciare nulla, nulla dall'Alfa all'Omega. Grazie. (Applausi) (Applausi) Chris Anderson: Solo una domanda veloce, Jonathan. Questo progetto può proseguire all'interno della NASA o avete bisogno di un fondo per l'energia verde abbastanza ambizioso per occuparsene? Jonathan: La NASA ormai è entrata in una fase in cui vorrebbe espandersi in qualcosa che possa andare in mare, e ci sono molti ostacoli burocratici negli Stati Uniti a causa delle licenze limitate e il tempo richiesto per ottenere i permessi per progetti in mare. A questo punto c'è bisogno di persone esterne, e noi siamo completamente disposti a mettere questa tecnologia a disposizione di chiunque sia interessato ad adottarla e provi a trasformarla in realtà. CA: Molto interessante. Non lo state brevettando. Lo state pubblicando. JT: Assolutamente. CA: Va bene. Grazie mille. JT: Grazie. (Applausi)