Ilmailuala tuottaa 2 prosenttia ihmisen aiheuttamista maailman hiilidioksidipäästöistä. Tämä osuus voi vaikuttaa suhteellisen pieneltä - näkökulmasta sähköntuotannon ja kodin lämmityksen osuus on yli 40 prosenttia -, mutta ilmailu on yksi maailman nopeimmin kasvavista kasvihuonekaasujen lähteistä. Lentomatkailun kysynnän odotetaan kaksinkertaistuvan seuraavan 20 vuoden aikana.
Lentoyhtiöt ovat painostuneita vähentämään hiilipäästöjään, ja ovat erittäin alttiita öljyn maailmanmarkkinahintojen heilahteluille. Nämä haasteet ovat herättäneet voimakasta kiinnostusta biomassasta johdettuihin polttoaineisiin. Bio-suihkumoottoria voidaan tuottaa erilaisista kasvimateriaaleista, mukaan lukien öljykasveista, sokerikasveista, tärkkelyskasveista ja lignoselluloosapitoisesta biomassasta, erilaisilla kemiallisilla ja biologisilla reiteillä. Öljyn muuntamiseksi polttoainepolttoaineeksi ovat kuitenkin edistyneemmässä kehitysvaiheessa ja tuottavat korkeamman energiatehokkuuden kuin muut lähteet.
Suunnittelemme sokeriruokoa, maailman tuottavinta kasvia tuottamaan öljyä, joka voidaan muuttaa biopolttoaineeksi. Äskettäisessä tutkimuksessa havaitsimme, että tämän suunnitellun sokeriruo'on käyttö voisi tuottaa yli 2500 litraa bio-suihkumoottoria maata kohti. Yksinkertaisesti sanottuna tämä tarkoittaa, että Boeing 747 voi lentää 10 tuntia biopehmolla, jota tuotetaan vain 54 hehtaarin maalla. Verrattuna kahteen kilpailevaan kasvilähteeseen, soijapavuihin ja jatrofaan, lipidikaani tuottaisi noin 15 ja 13 kertaa enemmän polttoainetta maayksikköä kohti.
Kaksikäyttöisen sokeriruoko luominen
Öljyperäisistä raaka-aineista, kuten camelina ja levät, johdetut biopolttoaineet on testattu menestyksekkäästi konseptilentojen todisteena. American Testing and Materials Society on hyväksynyt öljypohjaisen suihkukonepolttoaineen ja vesiprosessoidun uusiutuvan suihkukonepolttoaineen seoksen 50:50 kaupallisiin ja sotilaslentoihin.
Edes merkittävien tutkimus- ja kaupallistamispyrkimysten jälkeen nykyiset bio-polttoainepolttoaineen tuotantomäärät ovat kuitenkin hyvin pienet. Näiden tuotteiden valmistaminen laajemmassa mittakaavassa vaatii lisäteknologian parannuksia ja runsaasti edullisia raaka-aineita (polttoaineen valmistukseen käytettäviä satoja).
Sokeriruoko on tunnettu biopolttoaineiden lähde: Brasilia on käynyt sokeriruokomehua alkoholipohjaisen polttoaineen valmistamiseksi vuosikymmenien ajan. Sokeriruokoetanoli tuottaa 25 prosenttia enemmän energiaa kuin tuotantoprosessissa käytetty määrä ja vähentää kasvihuonekaasupäästöjä 12 prosentilla verrattuna fossiilisiin polttoaineisiin.
Sokeriruo'on korjuu Brasiliassa (Jonathan Wilkins, CC BY-SA) Mietimme, voisimmeko lisätä tehtaan luonnollisen öljyn tuotantoa ja käyttää öljyä biodieselin tuotantoon, mikä tarjoaa entistä suurempia ympäristöhyötyjä. Biodiesel tuottaa 93 prosenttia enemmän energiaa kuin sen tekemiseen vaaditaan ja vähentää päästöjä 41 prosentilla verrattuna fossiilisiin polttoaineisiin. Etanolia ja biodieseliä voidaan käyttää molemmat bio-polttoaineena, mutta tekniikat kasviperäisen öljyn muuttamiseksi polttoainepolttoaineeksi ovat edistyneessä kehitysvaiheessa, tuottavat korkean energiatehokkuuden ja ovat valmiita laajamittaiseen käyttöön.
Kun ehdotimme ensimmäistä kertaa sokeriruoko valmistamista lisää öljyä, jotkut kollegamme pitivät meitä hulluina. Sokeriruokolaitokset sisältävät vain 0, 05 prosenttia öljyä, jota on aivan liian vähän muuntamiseen biodieseliksi. Monet kasvitieteilijät väittivät, että öljymäärän nostaminen 1 prosenttiin olisi myrkyllistä kasvelle, mutta tietokonemallimme ennustivat, että voisimme nostaa öljyntuotannon 20 prosenttiin.
Energia-osaston edistyneiden tutkimusprojektien viraston (Energy) tuella käynnistimme vuonna 2012 tutkimushankkeen nimeltä Plants Engineered korvaamaan öljyn sokerikaanassa ja Sorghumissa, tai PETROSS. Sittemmin geenitekniikan avulla olemme lisänneet öljyn ja rasvahapot saavuttaa 12 prosenttia öljyä sokeriruokolehdistä.
Pullo öljyä, joka on valmistettu PETROSS-lipidikaanista (Claire Benjamin / Illinoisin yliopisto, CC BY-ND) Nyt työskentelemme saavuttaaksemme 20 prosenttia öljystä - teoreettinen raja tietokonepohjaisten malliemme mukaan - ja kohdistamme tämän öljykertymisen kasvin varteen, missä se on helpommin saatavissa kuin lehtiä. Alustava tutkimuksemme on osoittanut, että vaikka tekniset kasvit tuottavat enemmän öljyä, ne jatkavat sokerin tuotantoa. Kutsumme näitä teknisesti kasveja lipidikaaneiksi.
Useita tuotteita lipidcaneesta
Lipidcane tarjoaa monia etuja viljelijöille ja ympäristölle. Laskemme, että lipidikaanin kasvattaminen, joka sisältää 20 prosenttia öljyä, olisi viisi kertaa kannattavampaa hehtaarilta kuin soijapavut, tärkein raaka-aine, jota nykyisin käytetään biodieselin valmistukseen Yhdysvalloissa, ja kaksi kertaa kannattavampaa hehtaaria kohti kuin maissi.
Kestävyyden saavuttamiseksi biosuihkukonepolttoaineen on myös oltava prosessoitavissa taloudellisesti, ja sen tuotantotuotteiden on oltava korkeat, jotta viljelymaan käyttö minimoidaan. Arvioimme, että verrattuna soijapavuihin lipidcane, joka sisältää 5 prosenttia öljyä, voisi tuottaa neljä kertaa enemmän lentopetrolia maata kohti. Lipidcane, jossa on 20 prosenttia öljyä, voisi tuottaa yli 15 kertaa enemmän lentopetrolia hehtaaria kohti.
Ja lipidcane tarjoaa muita energiaetuja. Mehun uuton jälkeen jäljelle jääneet kasvien osat, jotka tunnetaan nimellä bagasse, voidaan polttaa höyryn ja sähkön tuottamiseksi. Analyysimme mukaan tämä tuottaisi enemmän kuin tarpeeksi sähköä biojalostamon käyttämiseen, joten ylijäämäenergia voitaisiin myydä takaisin verkkoon korvaamalla fossiilisista polttoaineista tuotettu sähkö - käytäntö, jota jo Brasilian joissakin tehtaissa käytetään etanolin tuotantoon sokeriruo'osta.
Mahdollinen yhdysvaltalainen bioenergian sato
Sokeriruuvi menestyi reuna-alueilla, jotka eivät sovellu monille ravintokasveille. Tällä hetkellä sitä kasvatetaan pääasiassa Brasiliassa, Intiassa ja Kiinassa. Suunnittelemme myös lipidikaania kylmäkestävämmäksi, jotta sitä voidaan nostaa laajemmin, etenkin Yhdysvaltojen kaakkoisosissa alikäytössä olevalla maalla.
Kartta kylmää sietävän lipidikaanin (PETROSS) kasvavasta alueesta Jos omistamme 23 miljoonaa hehtaaria kaakkois-Yhdysvalloissa lipidikaanille 20 prosentilla öljyä, arvioimme, että tämä sato voisi tuottaa 65 prosenttia Yhdysvaltojen polttoaineen tarjonnasta. Nykyisin dollareissa tämä polttoaine maksaa lentoyhtiöille 5, 31 dollaria / gallona, mikä on vähemmän kuin biolevittimistä valmistettu polttoaine, jota tuotetaan levistä tai muista öljykasveista, kuten soijapavuista, rypsiöljystä tai palmuöljystä.
Lipidcane voidaan kasvattaa myös Brasiliassa ja muilla trooppisilla alueilla. Kuten hiljattain raportissa Nature Climate Change, sokeriruoko- tai lipidikaanituotannon merkittävä lisääminen Brasiliassa voisi vähentää nykyisiä maailman hiilidioksidipäästöjä jopa 5, 6 prosenttia. Tämä voitaisiin saavuttaa vahingoittamatta alueita, jotka Brasilian hallitus on nimennyt ympäristölle herkiksi, kuten sademetsää.
Pyrkimyksenä 'energiarokkaan'
Lipidikaanitutkimuksemme sisältää myös kasvin geenitekniikan tehostamaan sen fotosynteesiä, mikä lisää kasvua. Yksi meistä (Stephen Long) ja muiden instituutioiden kollegat osoittivat vuoden 2016 Science- artikkelissa, että tupakan fotosynteesin tehostaminen lisäsi sen kasvua 20 prosentilla. Tällä hetkellä alustavat tutkimukset ja rinnakkaiset kenttäkokeet viittaavat siihen, että olemme parantaneet sokeriruokojen fotosynteettistä tehokkuutta 20 prosentilla ja lähes 70 prosentilla viileissä olosuhteissa.
Normaali sokeriruuvi (vasen) kasvaa suunnitellun PETROSS-sokeriruoan vieressä, joka on näkyvästi korkeampi ja vilkkaampi, kenttäkokeissa Floridan yliopistossa. (Fredy Altpeter / Floridan yliopisto, CC BY-ND) Nyt tiimimme on alkanut suunnitella korkeamman tuottoa sokeriruokolajia, jota kutsumme "energiakakkuksi", jotta saadaan aikaan enemmän öljyä hehtaaria kohti. Meillä on enemmän maata peitettävissä, ennen kuin sitä voidaan kaupallistaa, mutta elinkelpoisen tehtaan kehittäminen, jolla on tarpeeksi öljyä biodieselin ja biopolttoaineen tuottamiseksi taloudellisesti, on tärkeä ensimmäinen askel.
Toimittajan huomautus: Tämä artikkeli on päivitetty selventämään, että Stephen Longin ja muiden Science-julkaisussa vuonna 2016 julkaistu tutkimus sisälsi tupakkakasvien fotosynteesin tehokkuuden parantamista.
Tämä artikkeli on alun perin julkaistu keskustelussa.
Deepak Kumar, tutkijatohtori, Illinoisin yliopisto, Urbana-Champaign
Stephen P. Long, kasvitieteiden ja kasvibiologian professori, Illinoisin yliopisto, Urbana-Champaign
Vijay Singh, maatalouden ja biologisen tekniikan professori ja integroidun bioprosessoinnin tutkimuslaboratorion johtaja, Illinoisin yliopisto, Urbana-Champaign
