مزارع جلبک دریایی؛ راهکاری برای تولید انرژی زیستی از دل اقیانوس

در آینده، ممکن است اقیانوس آرام منزلگاه کیلومترها مزرعه‌ی جلبک دریایی باشد که به‌وسیله‌ی پهبادهای زیردریایی مراقبت می‌شوند و منتظر هستند تا به سوخت تبدیل شوند. این چشم‌انداز استارتاپی به‌نام مارین بیوانرژی است که تحت پشتیبانی مرکز تحقیقات پیشرفته انرژی آمریکا (ARPA-E) قرار دارد. این آژانس دولتی بودجه‌ی این شرکت و نیز تعداد معدودی از پروژه‌های مرتبط را تأمین می‌کند؛ زیرا اقیانوس بی‌کران را به‌عنوان منبع دست‌نخورده‌ای برای منبع جدید و احتمالا بهتر انرژی زیستی تجدیدپذیر می‌بیند.

درحال‌حاضر حدود ۵ درصد از کل مصرف انرژی در آمریکا از زیست‌توده‌هایی مانند ذرت و چوب حاصل می‌شود که تجدیدپذیر بوده و هنگام رشد و با انجام فرایند فتوسنتز کربن‌دی‌اکسید را از اتمسفر جذب می‌کنند. به‌علت انعطاف‌پذیری انرژی‌های زیستی، بسیاری از کارشناسان انتظار دارند که این درصد افزایش یابد. برای مثال این انرژی می‌تواند سوخت هواپیمایی و دیگر اشکال حمل‌و‌نقل را که برقی شدن آن‌ها دشوار است، فراهم کند.

جریان نور خورشید ازمیان بوته‌های کتانجک (نوعی جلبک بزرگ) در آب‌های سواحل جزیره کاتالینا در کالیفرنیا

مارک فون‌کیتز، مدیر برنامه‌ی ARPA-E می‌گوید بسیاری از تجزیه‌و‌تحلیل‌ها پیشنهاد می‌کنند که برای دستیابی به کربن‌زدایی گسترده در اقتصاد آمریکا، انرژی زیستی باید ۲۰ تا ۲۵ درصد از منابع انرژی کشور را شامل شود. گزینه‌ی زیستی حاضر در آمریکا عمدتا اتانول مبتنی‌بر ذرت است. اما تولید این سوخت به زمین، کود و آب شیرین زیادی نیاز دارد و موجب ایجاد آلودگی‌های دیگری شده و وابسته به منابع محدود است. فون‌کیتز کشت جلبک‌های دریایی را به‌عنوان راه‌حل این مشکل و اجتناب‌از قربانی کردن نیازهای جامعه پیشنهاد می‌کند. این روش نیازی به هیچ‌یک از این منابع ندارد و می‌تواند از ظرفیت عظیم اقیانوس استفاده کند. فون‌کیتز می‌گوید:

اقیانوس فضایی است که ما از آن زیاد برای کشت استفاده نمی‌کنیم.

وقتی جلبک دریایی برداشت شود، ازطریق فرایندهای شیمیایی مختلف می‌تواند به اشکال مختلف انرژی مانند گاز زیستی (بیوگاز) و اتانول تبدیل شود. اگرچه برای اینکه تولید انرژی زیستی از جلبک دریایی به گزینه‌ای تبدیل شود که قابلیت تولید در مقیاس عظیم داشته باشد، باید از چند مانع بگذرد. برخی کارشناسان به‌علت نگرانی درمورد تأثیرات اکولوژیکی و مزیت‌های اقلیمی تاییدنشده، این ایده را قبول ندارند.

مردم کشورهای مختلف و خصوصا در آسیا، مدت‌ها است که جلبک دریایی را کشت می‌دهند اما در مقیاس کم و عمدتا برای مصارف غذایی. برای اینکه انرژی زیستی حاصل‌از جلبک‌هایی دریایی به‌عنوان یک منبع انرژی رواج گیرد، باید راه‌های مقرون‌به‌صرفه‌ای پیدا شود که بتواند جلبک دریایی را به سوخت قابل مصرف برای استفاده‌ی تجاری تبدیل کند. همچنین به فناوری‌ها و تکنیک‌هایی نیاز است که بتوانند جلبک‌های دریایی را در مقیاس بزرگ و در مناطق دورافتاده‌ای مانند اقیانوس‌ها که با طوفان‌های شدیدی درگیر می‌شوند، پرورش دهند. چنین مکان‌های دوردستی همچنین به این معنا است که به احتمال زیاد این مزارع باید به شکل خودگردان یا با حضور بسیار محدود انسان مدیریت شوند.

آژانس ARPA-E که از پژوهش‌ها و توسعه‌ی فناوری‌های انرژی جدید حمایت می‌کند، بر این باور است که می‌توان از این موانع عبور کرد. آژانس مذکور برای تأمین بودجه‌ی پروژه‌های که روی مولفه‌های مختلف مورد نیاز برای رسیدن به صنعت جدید انرژی حاصل‌از جلبک دریایی، برنامه‌ای اختصاصی به‌نام مارینر (MARINER) دارد: فناوری‌ها و سیستم‌هایی برای کشت و برداشت، حمل‌و‌نقل، انتخاب مصنوعی و موارد دیگر. برای مثال، مارینر شامل طبقه‌بندی خاصی برای پروژه‌های مرتبط‌با نظارت آبی است: مزارع جلبک دریایی می‌توانند پهبادهای زیردریایی کوچک مجهز به حسگر برای ردیابی رشد و تشخیص خسارت داشته باشند. مشارکت دیگر شامل کشتی خودکار یدک‌کشی است که باعنوان تراکتور دریایی توصیف می‌شود که می‌تواند تجهیزات یا جلبک‌های برداشت‌شده را جابه‌جا کند.

یکی از پروژه‌های ARPA-E به‌وسیله‌ی شرکت مارین بیوانرژی درحال اجرا است و هدف آن ساخت مزارع بزرگ جلبک دریایی درمیان اقیانوس آرام است. این پروژه در تلاش است تا به یکی از مشکلات اساسی پرورش جلبک‌های دریایی بپردازد: لایه‌ی بالایی اقیانوس دارای نور زیادی است اما مواد مغذی در این بخش از اقیانوس کم است، درحالی‌که لایه‌های عمیق‌تر مواد مغذی فراوانی داشته ولی فاقد نور خورشید هستند. به‌خاطر این وضعیت، بیشتر جلبک‌های دریایی به‌خودی‌خود در آن اعماق رشد نمی‌کنند. شرکت مارین بیوانرژی یک راه‌حل دارد: او کشت جلبک‌ها را روی مزارع متصل به پهبادهای زیردریایی آزمایش خواهد کرد. هر مزرعه چندین هکتار وسعت خواهد داشت و از ردیف‌های جلبک درکنار هم تشکیل شده و بین آن‌ها نیز شناورهایی پراکنده است. پهبادها هنگام شب و به‌منظور دسترسی به مواد غذایی و نیز هنگام طوفان یا هنگام عبور کشتی‌ها، مزارع را به زیر آب خواهند کشید. همچنین در زمان برداشت محصول، کل مزرعه را به محل برداشت می‌کشند. انرژی پهبادها از صفحات خورشیدی تأمین خواهد شد.

سیندی ویلکوکس، هم‌بنیان‌گذار و رئیس شرکت مارین بیوانرژی این تفکر را در ذهن دارد که تعداد کافی از این مزارع جلبک دریایی را در اقیانوس ایجاد کند تا بتواند مقدار قابل‌توجهی انرژی فراهم کند. او می‌گوید:

برای جایگزینی ۱۰ درصد از سوخت‌های نفتی مایع که امروزه در آمریکا مصرف می‌شود، نیاز داریم منطقه‌ای به وسعت ایالت یوتا (حدود ۲۲۰ کیلومتر مربع) را زیر کشت ببریم. در اقیانوس آرام فضایی به اندازه‌ی ۷۰۵ یوتا وجود دارد.

شرکت مارین بیوانرژی آزمایش ایده‌ی خود را آغاز کرده است. این شرکت با همکاری گروهی از پژوهشگران دانشگاه کالیفرنیای جنوبی اولین آزمایش خود را سال گذشته اجرا کرد تا ببیند چگونه کتانجک غول (Macrocystis pyrifera) وقتی در ستونی از آب بالا و پایین کشیده می‌شود، رشد می‌کند. پژوهشگران در سواحل جزیره‌ی کاتالینا در کالیفرنیا حدود ۳۰ کتانجک آزمایشی را به کمک سیستم شناور در آب مستقر کرده‌اند. آن‌ها از جرثقیلی که انرژی آن از خورشید تأمین می‌شد، برای بالا و پایین بردن بازویی که جلبک‌ها را هنگام شب به عمق ۸۰ متری فرو برده و هنگام روز مجددا آن‌ها را به سطح می‌آورد، استفاده کردند. نتایج اولیه دلگرم‌کننده بود: رشد جلبک‌هایی که به‌طور مداوم به عمق و سطح آب آورده می‌شدند، نسبت‌به گروه کنترل که در یک عمق نگه‌داری می‌شدند، بهتر بود. شرکت مارین بیوانرژی قصد دارد آزمایش مشابه دیگری را در اوایل آوریل آغاز کند.

برخی کارشناسان درمورد برنامه‌ی ARPA-E محتاط بوده، بااین‌حال به آن امیدوار هستند. جان باثول، کارشناس انرژی زیستی جلبک‌های دریایی مؤسسه‌ی انرژی دانشگاه دورهام در انگلستان که در پروژه‌ی ARPA-E مشارکتی ندارد، می‌گوید:

این پروژه‌ای هیجان‌انگیز و بسیار بلندپروازانه است و من فکر می‌کنم این گام منطقی بعدی است که باید برداشته شود.

اگرچه برخی دیگر درمورد انرژی زیستی جلبک‌هایی دریایی مردد بوده و می‌گویند ایجاد مزارع عظیم جلبک دریایی می‌تواند اثرات غیرمنتظره‌ای روی اکوسیستم‌هایی دریایی داشته باشد. جان دسیکو، استاد دانشگاه مؤسسه‌ی انرژی میشیگان که به مطالعه‌ی سوخت‌های زیستی و دیگر مباحث انرژی مشغول است و او نیز در برنامه‌ی ARPA-E مشارکتی ندارد، می‌گوید:

اختلال طبیعی (یا انسانی) در زنجیره‌های غذایی روی خشکی یا دریا موجب بروز اثرات گسترده‌ای خواهد شد.

ویلکوکس می‌گوید:

ما هنوز درمورد پیامدهای اکولوژیکی بالقوه حاصل‌از این کار چیزی نمی‌دانیم. شاید هنوز برای گفتن این حرف خیلی زود باشد.

فون‌کیتز خاطرنشان کرد که یکی از خطرات احتمالی آن است که مزارع جلبک‌هایی دریایی ممکن است مکان‌هایی برای گیرافتادن جانوران دریایی ایجاد کند. اما او به این مسئله نیز اشاره کرد که برنامه‌ی مارینر پروژه‌های خود را ملزم می‌کند طرح‌هایی را ایجاد کنند که این خطر را به حداقل برسانند. به‌گفته‌ی فون‌کیتز برخی از گروه‌های همکار درحال بررسی امکان گنجاندن خطوطی هستند که حاوی موادی مانند الیاف شیشه‌ای باشند که به گونه‌ای خم نمی‌شوند که موجب گیر کردن جانوران شوند.

مزایای بالقوه‌ی انرژی زیستی ازنظر اقلیمی نیز مورد بحث است و ممکن است محاسبه‌ی آن برای جلبک دریایی دشوار باشد. هدف ARPA-E تولید انرژی زیستی حاصل‌از جلبک دریایی با کاهش انتشاراتی است که به همان اندازه با بهتر از کاهش انتشارات سوخت‌های زیستی روی خشکی باشد که به این معنا است که آثار کربنی آن باید کمتر از نصف آثار کربنی حاصل‌از بنزین باشد. ایده‌ی پشت‌صحنه‌ی این هدف آن است که اگرچه جلبک دریایی هنگام سوختن، کربن آزاد کند، این انتشارات همان کربنی است که جلبک چند ماه پیش طی رشد آن را جذب کرده است و برخلاف سوخت‌های فسیلی، کربن جدیدی وارد اتمسفر نمی‌شود. البته تولید و تبدیل انرژی زیستی جلبک دریایی به قدری انرژی نیاز دارد. فون‌کیتز می‌افزاید اگر بتوان انتشارات را هنگام سوختن جلبک دریایی گرفت و ذخیره کرد، ازنظر اقلیمی بهتر است. اگرچه دسیکو می‌گوید که پرورش وسیع جلبک‌های دریایی احتمالا به روش‌های غیرمنتظره‌ای روی دینامیک کربن درون اقیانوس اثر می ‌گذارد و این ممکن است از نظر اقلیمی خوب نباشد.

دسیکو خاطرنشان می‌کند که صنعت و پژوهشگران برای تأیید این موضوع که انرژی زیستی جلبک دریایی ازنظر اقلیمی سودمند است، نیاز به داده‌های خوب دارند و مدل‌سازی کافی نیست. او می‌گوید دسترسی به اطلاعات دقیق درمورد این مسئله دشوار است. فون‌کیتز با این موضوع مخالف است. او می‌گوید شواهدی ندیده است که نشان دهند کشت جلبک دریایی به شیوه‌ای موجب اختلال در چرخه‌ی کربن می‌شود که به اقلیم آسیب برساند. برخی کارشناسان می‌گویند احتمال داشتن انتشارات کربنی کمتر موجب می‌شود که با وجود ناشناخته‌ها، انرژی زیستی حاصل‌از جلبک‌های دریایی مورد کاوش قرار گیرد. آندرس کلارنس، دانشیار مهندسی سیستم‌ها و محیط زیست در دانشگاه ویرجینیا که در پروژه‌های ARPA-E مشارکتی ندارد، می‌گوید:

ما مشکل بزرگی در دست‌های خود داریم: تغییرات اقلیمی. من فکر نمی‌کنم یک راه‌حل جادویی وجود داشته باشد یا اینکه جلبک‌های دریایی ما را نجات دهند. اما این می‌تواند بخشی از راه‌حل باشد.