Imagine isto:no oceano aberto, fileiras de algas cultivadas cobrindo uma área do tamanho do México. Depois de colhido e processado, essa alga de crescimento rápido seria transformada em um combustível que você poderia bombear para dentro do seu carro. Chega de depender de combustíveis fósseis que levam milhões de anos para se formar - e cujas emissões na atmosfera são os maiores contribuintes para o aumento das temperaturas da Terra.

Resmas de evidências científicas, incluindo um relatório recente do Painel Intergovernamental das Nações Unidas sobre Mudanças Climáticas - uma avaliação apolítica de 91 cientistas de 40 países - pinta um quadro nítido para a economia, saúde e meio ambiente se medidas agressivas para controlar o aquecimento global não forem tomadas na próxima década.

Para enfrentar o desafio, Os pesquisadores da USC Dornsife têm testado soluções criativas, de biocombustível de algas marinhas a economias de energia totalmente novas e a redesenho de resíduos. Essas soluções podem ser empresariais e lucrativas, criando modelos de negócios inovadores que podem fomentar empregos e uma economia saudável e, ao mesmo tempo, salvar o planeta.

Potência da planta

No Centro de Ciências Marinhas do Instituto Wrigley de Estudos Ambientais da USC, na Ilha de Santa Catalina, na costa de Los Angeles, pesquisadores estão testando se as algas podem se tornar um combustível renovável.

Por que kelp? Diane Kim, diretor associado para projetos especiais do instituto, faz parte da equipe de pesquisa em biocombustíveis.

Ela diz que a alga gigante comum encontrada ao longo da costa da Califórnia é um dos organismos de crescimento mais rápido do planeta. Exigindo um mínimo de recursos naturais, pode crescer trinta a sessenta centímetros por dia em condições ideais.

"Kelp é muitas vezes referido como uma 'sequóia do mar' porque pode ficar muito grande - até 30 a 150 pés de comprimento, "ela disse." E esses organismos começam não muito maiores do que uma bactéria. "

Crescer, kelp requer luz solar e nutrientes. Ambos são abundantes no oceano, mas há um obstáculo.

"A luz está perto da superfície e os nutrientes são encontrados mais profundamente na coluna de água, "Kim explica. Ao longo da costa da Califórnia, a ressurgência traz essa água à superfície, é por isso que essas grandes florestas de algas são encontradas perto da costa. Mas esse não é o caso em oceano aberto, onde a alga marinha tem potencial para ser cultivada em uma escala muito maior.

“Isso tem o potencial de transformar a paisagem energética como a conhecemos, "disse Kim.

Com financiamento da Agência de Projetos de Pesquisa Avançada em Energia do Departamento de Energia dos EUA, Pesquisadores do USC Wrigley Institute, auxiliado por um parceiro da indústria, estão testando uma estratégia de ciclagem de profundidade usando um sistema em escala piloto apelidado de "elevador de kelp" - uma estrutura no oceano que move as algas para cima e para baixo, levando-o à superfície para absorver a luz solar, em seguida, de volta às profundezas ricas em nutrientes.

Se for bem sucedido, esse sistema poderia ser a base para uma rede autônoma de fazendas flutuantes de algas que poderiam ser ampliadas para produzir a quantidade de biomassa de algas necessária para tornar o custo do biocombustível de macroalgas competitivo com o combustível fóssil.

Ao longo do próximo ano ou assim, O time, que inclui Kim, John Heidelberg, professor associado de ciências biológicas e estudos ambientais, David Ginsburg, professor associado (ensino) de estudos ambientais, e muitos alunos de graduação e pós-graduação, irá testar diferentes estratégias de ciclagem de profundidade e várias espécies de macroalgas para um crescimento ideal.

Uma vez que eles podem demonstrar o crescimento de algas sob esses parâmetros, seu parceiro da indústria, BioEnergia Marinha, começará a comercialização. Engenheiros químicos do Laboratório Nacional do Noroeste do Pacífico do Departamento de Energia estão refinando um processo para transformar a alga marinha em biocombustível em grande escala por meio de um processo chamado liquefação hidrotérmica. A saída, eles antecipam, será quase neutro em carbono.

Cálculos preliminares sugerem que, se seu conceito funcionar, O biocombustível de algas marinhas tem potencial para atender às necessidades de todos os combustíveis para transporte nos Estados Unidos.

“Isso tem o potencial de transformar a paisagem energética como a conhecemos, "disse Kim.

Uma nova economia de energia

O projeto de biocombustível de algas do USC Wrigley Institute dá continuidade a um legado de pesquisa de energia da USC Dornsife que remonta a décadas.

Entre no escritório de G. K. Surya Prakash, diretor do Loker Hydrocarbon Research Institute da USC Dornsife, e você encontrará pistas de que um cientista brilhante e prolífico habita.

Uma estante repleta de livros de química orgânica de anos ensinando fundamentos para alunos de graduação se estende ao longo de sua mesa, que é coberto por pilhas organizadas de artigos científicos de quase 60 centímetros de altura.

E se você olhar de perto, você encontrará uma série de instrumentos curiosos que revelam o trabalho de sua vida:uma hélice de plástico do tamanho da palma da mão conectada a uma célula de combustível que funciona com metanol; um fogão do tamanho de um prato de jantar, também alimentado por metanol; e uma pequena garrafa de vidro cheia do que parece ser sabão em pó.

Segurando a garrafa, Prakash, George A. e Judith A. Olah Nobel Laureate Chair em Hydrocarbon Chemistry e professor de química na USC Dornsife, explica que os despretensiosos grânulos brancos são um novo produto que usa tecnologia desenvolvida no instituto para ajudar grandes edifícios a gerenciar a qualidade do ar com mais eficiência.

As partículas, fabricado para uso comercial pela empresa enVerid com uma licença de uma patente Loker, absorver e capturar dióxido de carbono e outros contaminantes do ar.

"Pense em qualquer grande edifício, "Prakash diz." Milhares de pessoas estão respirando oxigênio e exalando dióxido de carbono. "

Se os níveis de dióxido de carbono subirem muito, as pessoas ficarão tontas ou com sono. Tão tipicamente, os sistemas de ventilação dos edifícios farão um ciclo no ar de fora a cada duas horas para eliminar o dióxido de carbono e outros contaminantes. Esse processo usa uma grande quantidade de energia, Prakash explica. Mas quando os grânulos são colocados no sistema HVAC, ele absorve as impurezas do ar e reduz o uso de energia de um edifício em 20 a 30 por cento.

"É uma maneira de compensar o dióxido de carbono que é dupla, "diz ele; reduza a quantidade de dióxido de carbono na circulação de ar de um edifício e, ao mesmo tempo, reduza a pegada de carbono da energia usada para gerenciar a qualidade do ar.

Prakash passou quatro décadas na USC Dornsife pensando sobre energia - maneiras de armazená-la e de aproveitá-la. Esses instrumentos em seu escritório ilustram alguns dos usos práticos do que é conhecido como economia do metanol, o conceito visionário para a criação de fontes de energia renováveis ​​que ele desenvolveu originalmente com o falecido professor de química da USC Dornsife, George Olah, laureado com o Nobel e ex-colega e mentor de Prakash.

O ponto de partida é o dióxido de carbono - um gás natural que está aumentando rapidamente em nossa atmosfera principalmente devido às atividades humanas, como a queima de combustíveis fósseis e o desmatamento. A economia do metanol, um modelo pelo qual a química é usada para produzir metanol no lugar de combustíveis fósseis para armazenamento de energia, combustível e matérias-primas, busca usar o carbono como solução.

"A Terra não tem problemas de energia, "disse Prakash." O que há é um problema de armazenamento e portador de energia.

"A ideia é que vamos pegar o dióxido de carbono e convertê-lo de volta em alguns combustíveis químicos e matérias-primas usando a energia do sol, "Prakash disse.

O metanol é facilmente criado em um laboratório, e a um custo relativamente baixo, ele adiciona. A infraestrutura já existe para colocá-lo em uso como combustível e matéria-prima para substituir produtos derivados do petróleo.

Os Estados Unidos demoraram a adotar a tecnologia, principalmente porque as empresas de petróleo não têm muito incentivo financeiro para mudar para a alternativa de queima mais limpa. Contudo, países como a China, Islândia, Israel e Suécia adotaram a fonte de combustível renovável para vários usos, principalmente para transporte. (Uma planta de produção de metanol renovável operada pela Carbon Recycling International em Reykjavik, Islândia, tem o nome de Olah.)

A Índia também está considerando como incorporar o metanol como combustível de transporte, bem como gás de cozinha para substituir o querosene amplamente utilizado, que produz poluentes perigosos - daí o protótipo de um fogão movido a metanol na mesa de Prakash.

Um catalisador vencedor para a mudança

Zhiyao Lu é um pós-doutorado no Loker Hydrocarbon Research Institute. Antes de obter seu Ph.D. em química pela USC Dornsife em 2016, ele estava estudando ciências farmacêuticas. Mas seus interesses começaram a mudar. Por volta de 2010, ele começou a ver relatórios mostrando que, com a expansão da indústria de biodiesel e o uso de óleo vegetal em maior escala, a glicerina bruta estava sendo produzida em quantidades crescentes.

"Mais e mais disso estava acabando como lixo ou poluente, "Lu disse." Eu percebi que era um problema, e estabeleci essa meta para mim mesmo, fornecer pelo menos uma solução para tornar a situação melhor. "

Ele se concentrou em encontrar uma maneira de transformar o material residual em algo valioso. Trabalhando com o Professor de Química da USC Dornsife, Travis Williams, ele desenvolveu um catalisador que permite uma transformação química excepcionalmente eficiente que converte a glicerina em lactato. Normalmente derivado de plantas, lactate is a valuable natural preservative and antimicrobial agent with a wide range of applications. Most often it is used in cosmetics and soaps.

Lu was interested in commercializing their findings. Williams encouraged him to pursue support to translate their research. Então, Lu applied for the 2018 USC Wrigley Sustainability Prize, which was created by the USC Wrigley Institute to inspire and support the development of entrepreneurial businesses focused on improving the environment. He took home first place along with $7, 000 to help get the business off the ground.

On the heels of that honor, Lu was selected to participate in the National Science Foundation Innovation Corps (I-Corps) program, a seven-week curriculum that supports scientists in bringing their technology to market. Through I-Corps, Lu and Williams met with potential customers, partners and investors to learn the next steps that would take their technology from the lab to a commercial enterprise.

Como resultado, the pair's company, Catapower, will be working with World Energy, a top supplier of biodiesel in the U.S., to co-develop the chemical process into a commercial one. Agora mesmo, they are building a demonstration of how that would work in their manufacturing plants.

Lu explains that with just a few extra steps and some additional staff, glycerin can easily be converted to lactate as part of each plant's day-to-day operations, using existing equipment.

By Lu's calculations, Catapower's process could lower the overall cost of producing lactate by 60 percent, when compared with the current commercial practice used to manufacture it.

"Our business advisor said once we start producing it, it will be like printing money, " Lu said. "I'm not as optimistic, but I think the profit margin is good enough for us to run a sustainable business."