Може ли реактивното гориво, произведено от захарна тръстика, да бъде ключът към по-чистия полет?

Авиационната промишленост произвежда 2% от световните емисии на въглероден диоксид, причинени от човека. Този дял може да изглежда сравнително малък - за перспектива, производството на електроенергия и отоплението на домакинството представляват повече от 40% - но авиацията е един от най-бързо развиващите се източници на парникови газове в света. Търсенето на въздушен транспорт се очаква да се удвои през следващите 20 години.

Авиокомпаниите са подложени на натиск да намалят въглеродните си емисии и са силно уязвими към глобалните колебания в цените на петрола. Тези предизвикателства предизвикаха силен интерес към реактивни горива от биомаса. Био-реактивното гориво може да бъде произведено от различни растителни материали, включително маслодайни култури, захарни култури, нишестени растения и лигноцелулозна биомаса, чрез различни химически и биологични пътища. Въпреки това, технологиите за преобразуване на нефт в реактивно гориво са в по-напреднал стадий на развитие и водят до по-висока енергийна ефективност в сравнение с други източници.

Ние произвеждаме захарна тръстика, най-продуктивната фабрика в света, която произвежда масло, което може да се превърне в био-реактивно гориво. В неотдавнашно проучване открихме, че използването на тази проектирана захарна тръстика може да даде повече от 2500 литра био-реактивно гориво на акър земя. Казано с прости думи, това означава, че Boeing 747 може да лети 10 часа с био-реактивно гориво, произведено само на 54 акра земя.В сравнение с два конкуриращи се растителни източника, соеви зърна и ятрофа, липидното ще произвежда съответно около 15 и 13 пъти повече реактивно гориво за единица земя.

Създаване на захарна тръстика с двойно предназначение

Био-реактивни горива, получени от богати на петрол суровини, като camelina и водорасли, бяха успешно тествани в доказателство на концептуални полети. ASTM International, глобална организация за разработване на стандарти, одобри 50:50 смес от петролно гориво и хидрообработено възобновяемо гориво за търговски и военни полети.

Въпреки това, дори и след значителни усилия за научни изследвания и комерсиализация, сегашните обеми на производство на био-реактивно гориво са много малки. Осъществяването на тези продукти в по-голям мащаб ще изисква по-нататъшни технологични подобрения и изобилие от ниски разходи (култури, използвани за производството на гориво).

Sugarcane е добре известен източник на биогориво: Бразилия ферментира сок от захарна тръстика, за да произвежда алкохолно гориво от десетилетия. Етанолът от захарна тръстика води до 25% повече енергия от количеството, използвано по време на производствения процес, и намалява емисиите на парникови газове с 12% в сравнение с изкопаемите горива.

Запитахме се дали не бихме могли да увеличим производството на естествени масла в централата и да използваме петрола за производството на биодизел, което осигурява още по-големи ползи за околната среда. Биодизелът дава 93% повече енергия, отколкото е необходимо, за да го направи, и намалява емисиите с 41% в сравнение с изкопаемите горива. Етанолът и биодизелът могат да бъдат използвани в био-реактивно гориво, но технологиите за преобразуване на растително масло в реактивното гориво са в напреднал стадий на развитие, осигуряват висока енергийна ефективност и са готови за широкомащабно внедряване.

Когато за пръв път предложихме инженерна захарна тръстика, за да произвеждаме повече петрол, някои от колегите ни смятаха, че сме луди. Захарните растения съдържат само 0,05% масло, което е твърде малко, за да се превърне в биодизел. Много учени от теорията твърдят, че увеличаването на количеството на петрола до 1% би било токсично за завода, но нашите компютърни модели прогнозираха, че можем да увеличим производството на петрол до 20%.

С подкрепата на Агенцията за енергийни проекти на разширените изследователски проекти към Министерството на енергетиката, стартирахме изследователски проект, наречен „Растения, проектирани да заменят нефта в захарта и соргото“, или PETROSS, през 2012 г. Оттогава чрез генно инженерство увеличихме производството на петрол и мастни киселини за постигане на 12% масло в листата на захарната тръстика.

Сега ние работим за постигане на 20% масло - теоретичната граница, според нашите компютърни модели - и насочване на това натрупване на масло към стъблото на растението, където е по-достъпно, отколкото в листата. Нашите предварителни изследвания показват, че дори и инженерните растения да произвеждат повече петрол, те продължават да произвеждат захар. Ние наричаме тези инженерни растения липикан.

Множество продукти от липидното

Липиканът предлага много предимства за земеделските производители и околната среда. Ние изчисляваме, че отглеждането на липикан, съдържащ 20% петрол, би било пет пъти по-печелившо на акър от соята, основната изходна суровина, която в момента се използва за производство на биодизел в Съединените щати, и два пъти по-печеливша на акър като царевица.

За да бъде устойчиво, био-реактивното гориво трябва също да бъде икономично за обработка и да има високи добиви от производството, които минимизират използването на обработваема земя. Смятаме, че в сравнение със соята, липиканът, съдържащ 5% масло, може да доведе до четири пъти по-голямо количество реактивно гориво на акър земя. Липиканът с 20% масло може да произведе повече от 15 пъти повече гориво за струя на акър.

А липидката предлага и други енергийни ползи. Частите на растенията, останали след извличането на сок, известни като торба, могат да се изгорят за производство на пара и електричество. Според нашия анализ, това би генерирало повече от достатъчно електроенергия за захранване на биорафинериите, така че излишната мощност може да бъде продадена обратно на мрежата, като се замени електроенергията, произведена от изкопаеми горива - практика, която вече се използва в някои заводи в Бразилия за производство на етанол от захарна тръстика.

Потенциална биоенергийна култура в САЩ

Захарната тръстика процъфтява на маргинална земя, която не е подходяща за много хранителни култури. В момента се отглежда главно в Бразилия, Индия и Китай. Ние също така сме инженерни липикани, за да бъдем по-студоустойчиви, така че да могат да бъдат повдигнати по-широко, особено в югоизточната част на Съединените щати, върху недостатъчно използваната земя.

Ако посветим 23 милиона акра в югоизточната част на Съединените щати на липикан с 20% масло, смятаме, че тази култура може да произведе 65% от доставките на американски реактивни горива. Понастоящем, в сегашните долари, това гориво ще струва на авиокомпаниите 5,31 долара за галон, което е по-малко от био-реактивното гориво, произведено от водорасли или други маслодайни култури, като соя, рапица или палмово масло.

Липиканът може да се отглежда и в Бразилия и други тропически райони. Както наскоро съобщихме в Nature Climate Change, значително увеличаване на производството на захарна тръстика или липидната каша в Бразилия може да намали сегашните глобални емисии на въглероден диоксид с до 5,6%. Това може да бъде постигнато, без да се засягат областите, които бразилското правителство е определило като екологично чувствително, като например тропическите гори.

В преследване на „енергиен t

Нашите изследвания на липидното покритие също включват генетично инженерство на растението, за да го направят по-ефективно фотосинтезиращо, което се превръща в по-голям растеж. В статия от 2016 г. в Science, един от нас (Stephen Long) и колегите от други институции показаха, че подобряването на ефективността на фотосинтезата в липидката е увеличило растежа му с 20%. Предварителните проучвания и полевите опити показват, че подобрихме фотосинтетичната ефективност на захарната тръстика с 20% и с почти 70% в прохладни условия.

Сега нашият екип започва работа по проектирането на по-високопроизводително разнообразие от захарна тръстика, което ние наричаме „енергийна тръба“, за да постигне повече добив на петрол на акър. Ние имаме повече място за покриване, преди да бъде пуснато на пазара, но разработването на жизнеспособно растение с достатъчно масло, за да произвеждат биодизел и гориво за био-реактивни двигатели, е основна първа стъпка.

Тази статия първоначално е била публикувана на The Conversation от Deepak Kumar, научен сътрудник след докторат; Stephen P. Long, професор по растителни науки и растителна биология; Виджай Сингх, професор по селско и биологично инженерство и директор на Интегрирана научно-изследователска лаборатория по биообработка, Университет на Илинойс в Урбана-Шампейн. Прочетете оригиналната статия тук.