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藻類生質燃料(三) 收穫

生質能源趨勢 BioEnergy Today_96
・2013/01/09 ・1374字 ・閱讀時間約 2 分鐘

培養藻類就像其它農作物一樣,在好好的培養之後,下一個步驟就是收穫。然而如何將藻類從水裡分離出來都是目前藻類能源的一大挑戰。藻類收穫的困難之處在於微藻體積很小,僅有數微米的體型使得打撈不易。除此之外,微藻的密度與水相近,不會主動沈澱,更增加了採收難度。因此如何便宜、有效地從水中採集微藻是急需解決的問題。現在常用的採收方法有:

離心法 Centrifugation


離心法是在實驗室裡最常見的濃縮方式,將藻液置入離心管(瓶)內,利用高速旋轉產生離心力使水中不同密度的物體分離,從而收集濃縮藻液。根據不同的旋轉速度,收集到的藻液含固量可由原本約 0.1%的濃度濃縮成 5%至 25%之間。然而離心法需要輸入大量能量以達到高速旋轉,較不適合應用在以產生能源為目的的製程中。

過濾法 Filtration

過濾法就是利用重力或是加壓的方式,強制水透過濾膜,而比濾膜孔徑大的微藻將會留在濾膜的另一端以方便收集。這是目前藻類工廠最常使用的收集方式,過濾後的藻液含固量可達 20~30%左右。然而過濾法最大的困難是濾膜會隨著使用時間變長而漸漸阻塞,因此需要定期更換或清洗濾膜。而利用加壓或真空抽取的方式,也會造成可觀的能量花費,影片中示範了法國藻類養殖場的運作過程,除了收集螺旋藻的部份之外,後面他們將螺旋藻製成義大利麵的過程也很有趣。

絮凝法 Flocculation
圖片來源:Biofuel from Microalgae, harvesting algae for oil extraction

絮凝法常見於水處理廠中,加入化學藥劑使水中懸浮顆粒凝聚在一起形成大顆粒而沈降至池底。這項技術同樣也可以應用在微藻收穫裡,加入氯化鋁促使微藻聚合沈澱而方便收集。經由絮凝法所收集到的藻液含固量可達30%。然而購買絮凝劑對大規模培養來說仍然是一項可觀的花費。因此許多專家研究透過改變二氧化碳濃度或是pH值來引發微藻自體絮凝來避免額外支出,但目前僅發現幾株藻種有這種特性,因此還處於研究階段。

懸浮法 Flotation


懸浮法類似絮凝法,也是常用於水處理場裡的去除顆粒技術。懸浮法是由池底導入微小氣泡,在氣泡上升的過程中會一併將微藻帶至水面上。如上圖所示,微藻會在液體表面聚集,之後便可在表面收集這些濃縮後的藻液。懸浮法可以快速的處理大量藻液,然而經由懸浮法所收集的藻液濃度較低,含固量通常不到5%,因此常會與絮凝法並用,使用絮凝劑使微藻聚集為較大的團塊便可更輕易的使這些團塊浮於水面。

其他收集法:

除了上述四種常用的收集方式之外,還有許多正在發展的收穫技術,例如Algaeventure 利用毛細現象設計的雙層濾膜就可以利用極少的能量達到除水的效果。其它還有利用滲透壓除水、或是利用駐波集中微藻再加以收集…等等。這些新技術的共通之處就是盡力減少收穫的能量消耗以求增加能源產出,並且降低成本增加藻類生質燃油的競爭力。各位朋友們也許也可以動動腦,想想看還有什麼方法可以將微藻分離出來,也許哪天你會成為藻類生質燃料的一大推手呢。

相關閱讀:
藻類生質能源(一)序論
藻類生質能源(二)常見藻種介紹
藻類生質能源(三)藻類培養
藻類生質能源(五)燃料轉換方式
藻類生質能源(六)結語

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生質能源趨勢 BioEnergy Today_96
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三個大學同學在畢業後各自步上不同的旅程,卻對於生質能源有著相同的興趣與期待,因此希望藉由寫作整理所知所學,並與全世界分享與討論。

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災難片成真!?小行星「貝努」行蹤飄忽,撞地球的機率有多大?

EASY天文地科小站_96
・2021/09/19 ・2765字 ・閱讀時間約 5 分鐘
  • 文/陳子翔(現就讀師大地球科學系, EASY 天文地科團隊創辦者)

知名物理學家史蒂芬.霍金(Stephen Hawking)認為,小行星撞擊是宇宙中高等智慧生命最大的威脅之一。而回首地球的過去,六千五百萬年前的白堊紀末期,造成恐龍消失的生物大滅絕,也肇因於一顆直徑約十公里的小行星撞擊。那麼,我們應該擔心小行星帶來如同災難片場景的巨大浩劫嗎,人類又能為這件事做什麼準備呢?

我們該擔心哪些小行星,小行星撞擊能被預測嗎?

太陽系中的小行星不可勝數,但並非所有小行星都對於地球有潛在的危害。那麼,哪些小行星是應該注意的呢?

我們可以簡單從兩個條件,篩選出對地球有潛在威脅的小行星:第一是小行星的軌道,第二則是小行星的大小。如果一個天體的運行軌道與地球的運行軌道沒有交會,那也就不需要擔心它會部會撞到地球了。而直徑越大的小行星,撞擊地球產生的災害就會越大,例如一顆直徑 10 公尺的小行星墜落能造成小範圍的建築物受損,而直徑 50 公尺的小行星撞擊,其威力則足以摧毀整座大型城市。

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/5/59/Chelyabinsk_meteor_event_consequences_in_Drama_Theatre.jpg/1024px-Chelyabinsk_meteor_event_consequences_in_Drama_Theatre.jpg
2013 年俄羅斯車里亞賓斯克小行星墜落事件,隕石在空中爆炸的震波震碎大片玻璃。圖/Nikita Plekhanov

過去天文學家透過遍布世界的天文台,不斷在夜空中尋找近地小天體,並持續監測它們的動向。而透過觀測資料推算其軌道,就可以算出這些危險的小鄰居未來與地球發生「車禍」的機率有多大,而這篇文章的主角「貝努」,就是一顆被認為有較大機會撞擊地球,因此被重點關注的對象。

貝努撞地球會是未來的災難嗎?

貝努在 1999 年被發現,是一顆直徑約 500 公尺的小行星,它以橢圓軌道繞行太陽,公轉週期大約 437 天。由於貝努的軌道與地球相當接近,它每隔幾年就會接近地球一次,而本世紀貝努最接近我們的時刻將會發生在西元 2060 年,不過別擔心,該年貝努與地球最接近時,距離預計也還有七十萬公里,大約是地球至月球距離的兩倍,撞擊風險微乎其微。

綠色為地球軌道,藍色為貝努軌道。圖/University of Arizona

然而天文學家真正關注,撞擊風險較大的接近事件則會發生在下一個世紀。根據目前的軌道計算,貝努在西元 2135 年和 2182 年的兩次接近,會有較大的撞擊風險。說到這裡可能許多讀者會覺得,既然我們都活不到那個時候,何必去操心那些根本遇不到的事情呢?

那麼,讓我們想像一個情境:

如果今天天文學家突然發現了一顆與貝努一樣大的小行星,並算出它將在一年後撞上地球,那身為這個星球上「最有智慧的物種」,我們能怎麼應對呢?

很遺憾的:我們很可能對於撞擊束手無策。當前人類並沒有任何成熟的技術,能夠在這麼短的時間內改變小行星的軌道。這時候人們可能就會希望前人早點望向星空,調查小行星,好讓人們能夠有多一百年的時間準備應對的方法了!

小行星軌道計算不就是簡單的牛頓力學,為什麼算不準?

那麼貝努在未來 100〜200 年到底會不會撞擊地球呢?其實天文學家也說不太準,只能給出大概的機率而已,而且時間越久,預測的不確定性就越大。

你也許會想,天體的運行軌道不就只是簡單的牛頓力學,三百年前的人就已經掌握得很好了,在電腦科技發達的現代怎們會算不準呢?確實,如果要算地球與火星在 100 年後的相對位置,那電腦還能輕鬆算出相當精確的答案,但如果是計算小行星 100 年後的位置,事情就變得棘手多了……

由於小行星的質量很小,就算是相對微小的引力干擾還是足以改變其運行方向,而混沌理論(Chaos theory)告訴我們,任何微小的初始條件差異,都能造成結果極大的不同。因此要對小行星軌道做長期預測,就不能只考慮太陽的引力,而是必須把行星等其他天體的引力也納入計算,才能獲得比較準確的結果。尤其是當這些小行星與地球擦肩而過時,即使只有幾百公尺的位置偏差,受到的引力也會有相當的不同,使得小行星的未來軌跡出現巨大的差異。

而更令天文學家們頭痛的是,有些問題甚至不是萬有引力能夠解決的,其中一個因子就是「亞爾科夫斯基效應」(Yarkovsky Effect)。這個效應是這樣的:當陽光照在自轉中的小行星上,陽光會加熱小行星的受光面,而被加熱的這一面轉向背光面時,釋放的熱能會像是小小的火箭引擎一樣推動小行星。這個作用的推力非常小,但長期下來還是足以對質量很小的天體造成軌跡變化,也讓軌道預測多了很大的不確定性。

亞爾科夫斯基效應的動畫。影片/NASA

OSIRIS-REx 任務揭露貝努的神秘面紗,也讓軌道推估更精確

為了更深入了解貝努,NASA 在 2016 年發射 OSIRIS-REx 探測器探查這顆小行星。OSIRIS-REx 主要的任務包括從貝努表面採取樣本並送回地球分析、對整顆小行星做完整的調查,以及評估各種影響貝努運行軌道的因子,改善貝努軌道的預測模型,評估將來的撞擊風險。

在軌道分析方面,OSIRIS-REx 一方面能在環繞貝努的過程中緊盯貝努的「一舉一動」,讓天文學家透過精確的觀測結果反推貝努的軌道特性。另一方面,要評估亞爾科夫斯基效應對小行星軌道的影響,也需要考量小行星的地形地貌、反照率等等因素,因此 OSIRIS-REx 的各項觀測資料,也有助於建立更精確的軌道預測模型。

OSIRIS-REx 探測器。圖/University of Arizona/NASA Goddard Space Flight Center

目前 OSIRIS-REx 的任務還沒有結束,但是在取得更準確的軌道預測模型與撞擊風險評估上,已經有了初步的成果。根據這次任務提供的觀測資料,天文學家將預測貝努未來軌道的時間極限,從原本的西元 2200 年延長至 2300 年。而西元2300年之前,貝努撞上地球的機率大約是 0.057% (1/1750),最危險的一次接近則會發生在西元 2182 年

「知己知彼,百戰不殆」。面對像貝努這樣的危險鄰居,唯有盡可能認識它的一切,才越能夠掌握其未來的動向,進而在將來思考要如何面對小行星的撞擊的風險。另外,目前 OSIRIS-REx 也正在返航地球的旅途上,期待 2023 年 OSIRIS-REx 能順利的帶著貝努的樣本回到地球,帶給我們更多有關小行星的重要資訊!

參考資料

EASY天文地科小站_96
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EASY 是由一群熱愛地科的學生於2017年創立的團隊,目前主要由研究生與大學生組成。我們透過創作圖文專欄、文章以及舉辦實體活動,分享天文、太空與地球科學的大小事
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