近期，美國(guó)媒體《大眾科學(xué)》(Popular Science)評(píng)選出2021年十大最頂尖工程創(chuàng)新。這其中有綠色技術(shù)的進(jìn)步，有望解決關(guān)乎地球未來(lái)的緊迫問(wèn)題，包括如何幫助食品和能源生產(chǎn)等領(lǐng)域走出難以脫碳的困境;還有的創(chuàng)新向我們展示了更安全的采礦方式，或基于人工智能解開(kāi)了蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的奧秘;我們甚至看到了激動(dòng)人心的全世界第一款海上過(guò)山車(chē)……

無(wú)碳煉鋼只出水，全球第一款燒氫氣的綠色鋼材

全球煉鋼產(chǎn)生的碳排放占總排放量的7%～9%，主要來(lái)自一種被稱(chēng)為“焦炭”(主要成分為碳)的特殊加工煤。在一千多度的高溫下，焦炭通過(guò)多步反應(yīng)奪走鐵礦石(鐵的氧化物)中的氧，最終生成鐵——但也釋放二氧化碳。為減少碳足跡，瑞典的工業(yè)財(cái)團(tuán)開(kāi)發(fā)了Hybrit鋼鐵。

Hybrit是通過(guò)氫而非碳來(lái)將鐵礦石轉(zhuǎn)化為鋼鐵的：利用風(fēng)能和水力發(fā)電加熱豎爐至1650攝氏度，讓不含水的氫氣在高溫豎爐中還原鐵礦石，釋放氫氣和水(沒(méi)有二氧化碳)，由此產(chǎn)生的“海綿鐵”在電弧爐中熔化以制造鋼。

Hybrit的研發(fā)團(tuán)隊(duì)表示，該過(guò)程的二氧化碳排放量不到標(biāo)準(zhǔn)焦炭燃料方案排放量的2%。

2020年夏天，沃爾沃公司接收了第一批這種“綠色鋼材”，并將其用于制造采礦和采石的車(chē)輛。

無(wú)碳電車(chē)只燃氨，純氨動(dòng)力油輪未來(lái)可期?

集裝箱船為我們的廉價(jià)消費(fèi)品經(jīng)濟(jì)提供了動(dòng)力，但也產(chǎn)生了近3%的二氧化碳排放量。電池沒(méi)有足夠的能量密度來(lái)高效地為大型船只供電——而且在大洋中央充電幾乎是不可能的。今年，芬蘭發(fā)動(dòng)機(jī)制造商瓦錫蘭(W?rtsil?)與挪威物流巨頭格里格(Grieg)攜手，合作研發(fā)無(wú)碳排放的氨燃料動(dòng)力船舶。

工程師將使用由挪威風(fēng)電場(chǎng)提供的電力來(lái)電解制得氫氣，氫氣繼而與氮?dú)夥磻?yīng)產(chǎn)生氨。瓦錫蘭公司已經(jīng)測(cè)試通過(guò)了使用70%氨混合物的發(fā)動(dòng)機(jī)，并計(jì)劃于2024年推出純氨燃料動(dòng)力油輪。

垂直海鮮農(nóng)場(chǎng)：城中、室內(nèi)、綠色

自20世紀(jì)80年代以來(lái)，全球蝦類(lèi)養(yǎng)殖行業(yè)已經(jīng)圍墾了近1.4萬(wàn)平方公里的紅樹(shù)林(主要在東南亞)。將天然碳匯變作蝦塘的行為留下了高于養(yǎng)殖奶牛、豬或雞所造成的碳足跡。疾病暴發(fā)和水道廢物堵塞的問(wèn)題也困擾著該行業(yè)。

革命性的“垂直海洋”模式在室內(nèi)開(kāi)展養(yǎng)殖：貝類(lèi)生活于模塊化的校車(chē)大小的水箱里;藻類(lèi)、海草和底飼魚(yú)類(lèi)濾除廢物。如此一來(lái)，近100%的水得到再循環(huán)，且無(wú)需下水道。新加坡的一個(gè)垂直海洋原型今年有10次收成，獲得總計(jì)超過(guò)一噸的甲殼類(lèi)動(dòng)物。

橋梁觀察者：不放過(guò)任何異常

目前尚不明確是何原因?qū)е铝?018年意大利熱那亞大橋坍塌，最終造成43人死亡。不過(guò)專(zhuān)家認(rèn)為，交通負(fù)荷過(guò)大、高含鹽量空氣的腐蝕、工廠污染以及水位高等因素都在其中發(fā)揮了一定作用。在熱那亞出生的建筑師倫佐·皮亞諾(Renzo Piano)設(shè)計(jì)完新橋之后，還添加了多種自動(dòng)感應(yīng)功能用于檢測(cè)故障。

一對(duì)兩噸重的檢查機(jī)器人在碳復(fù)合材料軌道上穿過(guò)橋梁，每8小時(shí)拍攝25000張起落架的照片，進(jìn)而令機(jī)器視覺(jué)軟件能夠發(fā)現(xiàn)任何異常情況。太陽(yáng)能電池板可滿足橋梁95%的能源需求，包括用于檢查危險(xiǎn)的接頭膨脹的照明和傳感器。

全球第一座海上過(guò)山車(chē)

普通的過(guò)山車(chē)通過(guò)重力讓乘客體驗(yàn)極限刺激。如果你想在海上感受過(guò)山車(chē)的驚險(xiǎn)刺激——嘉年華郵輪公司的狂歡節(jié)號(hào)游輪配備的“BOLT終極海上過(guò)山車(chē)”將滿足你的需求。鑒于游輪遠(yuǎn)不能保證穩(wěn)定而平坦的地面，因此設(shè)計(jì)者必須要有創(chuàng)意。

BOLT是第一座海上過(guò)山車(chē)，由電力驅(qū)動(dòng)(而非常規(guī)的重力)，能搭載兩位客人乘坐摩托車(chē)式的推車(chē)，沿著一條懸浮在海平面以上57米的環(huán)形軌道行進(jìn)，速度由乘客控制，最高可達(dá)近65公里/小時(shí)。

鐵電池，未來(lái)告別煤炭和天然氣?

要維持完全可再生的電網(wǎng)，公用事業(yè)公司需要大且便宜的電池以便在無(wú)風(fēng)或無(wú)陽(yáng)光時(shí)將大量廉價(jià)電力儲(chǔ)入電網(wǎng)，可那些用在筆記本電腦和電動(dòng)汽車(chē)中的鋰離子電池價(jià)格昂貴。

鑒于此，美國(guó)創(chuàng)業(yè)公司FormEnergy開(kāi)創(chuàng)了一種基于鐵(地球上最豐富的金屬之一)的新型高效電池，號(hào)稱(chēng)“大吉姆”(Big Jim)。

大吉姆可通過(guò)鐵與環(huán)境中氧氣發(fā)生反應(yīng)來(lái)釋放電子，同時(shí)生成氧化物;而流入的電子流又將鐵銹變回鐵，釋放氧氣并為電池充電。

環(huán)境工程師表示，每千瓦時(shí)20美元的電池將是公用事業(yè)公司告別煤炭和天然氣的理想選擇——而這正是FormEnergy對(duì)于大吉姆的最終理想定價(jià)。

AI精準(zhǔn)預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)

今年以前，科學(xué)界只知道17%的人體蛋白質(zhì)的確切三維形狀——而過(guò)去50年間，蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)解析一直都是科學(xué)圣杯一般的存在。深度學(xué)習(xí)算法AlphaFold現(xiàn)已破解了2萬(wàn)種人體蛋白質(zhì)中的98%以上的結(jié)構(gòu)，其中36%的預(yù)測(cè)精確至原子水平。

DeepMind已將其源代碼和預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)公之于眾，為新藥研制、致病突變抑制劑開(kāi)發(fā)以及新材料設(shè)計(jì)提供了新的可能。

天空空調(diào)

空調(diào)和風(fēng)扇消耗全世界10%的電力。專(zhuān)家預(yù)計(jì)到2050年交流電的使用量將增加2倍。制冷系統(tǒng)吸收大量能量并將熱量推到周?chē)h(huán)境——SkyCoolSystems公司正嘗試?yán)霉夥瓷湮蓓敿{米技術(shù)打破這個(gè)危險(xiǎn)的反饋循環(huán)：

鋁基面板涂有多層光學(xué)薄膜，反射波長(zhǎng)在8～13微米之間的輻射，位于此區(qū)間的光波能穿過(guò)地球大氣層并進(jìn)入太空。這樣可使面板溫度最多下降8.3攝氏度，為建筑物的現(xiàn)有系統(tǒng)提供無(wú)排放冷卻。

去年秋天，加州斯托克頓市的一家雜貨店在其水管上方安裝了這款面板的原型機(jī)，以冷卻他們的制冷系統(tǒng)——估計(jì)每年可助其剩下6000美元的電費(fèi)。

礦工至愛(ài)，采礦圣手

采礦業(yè)是全世界最危險(xiǎn)的行業(yè)之一，而那些負(fù)責(zé)爆破隧道的人員特別容易受到傷害——未必來(lái)自爆炸物，而是來(lái)自地震活動(dòng)或鋪設(shè)炸藥時(shí)發(fā)生的巖石墜落。全球最大的商業(yè)炸藥和爆破系統(tǒng)供應(yīng)商之一、來(lái)自澳大利亞的Orica公司為危險(xiǎn)的采礦行業(yè)提供了創(chuàng)新特種機(jī)器人——Avatel機(jī)器人。

該系統(tǒng)能在地下采礦過(guò)程中完成自動(dòng)爆破，而工作人員則于安全環(huán)境下進(jìn)行操作：

礦工在一個(gè)安全小屋內(nèi)操縱一對(duì)機(jī)器手臂放置炸藥，而工程師和地質(zhì)學(xué)家回到控制室，隨條件變化遠(yuǎn)程提供實(shí)時(shí)建議。設(shè)置完成后，駕駛員將Avatel移開(kāi)并以無(wú)線方式發(fā)送引爆信號(hào)。

駛?cè)腼Z風(fēng)之眼，采集極限數(shù)據(jù)

為了解颶風(fēng)如何增強(qiáng)并更好地預(yù)測(cè)未來(lái)的災(zāi)害，科學(xué)家需要關(guān)于颶風(fēng)內(nèi)的氣壓、空氣、水溫、濕度和風(fēng)力條件的數(shù)據(jù)。

美國(guó)Saildrone公司研發(fā)的自主機(jī)器人船Saildrone由太陽(yáng)能和風(fēng)能提供動(dòng)力，于2020年9月進(jìn)入4級(jí)颶風(fēng)“山姆”內(nèi)部，成為有史以來(lái)第一艘進(jìn)入颶風(fēng)眼的機(jī)器人交通工具。

Saildrone縮短了儀表翼以更好地承受極端條件，能在風(fēng)速達(dá)到193公里/小時(shí)的情況下提供鏡頭和讀數(shù)，可謂行業(yè)標(biāo)桿。

Saildrone可提供衛(wèi)星圖像不能提供海洋表面的數(shù)據(jù)，而美國(guó)的研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)開(kāi)始將這艘神器用于重要工作：

NASA借助Saildrone提聲衛(wèi)星數(shù)據(jù)的價(jià)值并研究氣候變化，美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局(NOAA)用它調(diào)查阿拉斯加狹鱈的健康狀況。