科技日報實習記者 張佳欣

近日，美國《大眾科學》月刊發表題為《2021年最令人“眼花繚亂”的工程創新》的文章。文章稱，今年的頂級工程創新有關地球未來的緊迫問題，包括如何解決食品和能源生產等領域難以脫碳的困境。而除了展示了綠色技術的進步，這些創新還涉及更安全的採礦方式、可解開蛋白質結構奧秘的人工智慧（AI），以及激動人心的全球首款海上過山車等。

鍊鋼只排放水！世界上第一種無化石鋼來了

無化石鋼告別二氧化碳排放

鍊鋼產生的碳排放量佔世界碳排放量的7%到9%，這主要是源於一種被稱為“焦炭”的經過特殊加工的煤炭。在高達3000℉（約1649℃）的溫度下，焦炭與鐵礦石中的氧發生反應，將金屬提純成鍊鋼所需的形式，但此過程中會有大量二氧化碳排出。

為了減少碳足跡，瑞典HYBRIT（突破性氫鍊鐵技術）專案致力於用可再生的電力和氫氣取代傳統上以礦石為基礎的鍊鋼所需的焦煤，其開發了一種“綠色鋼材”。氫氣在豎爐裡與礦石中的氧發生反應，利用風能和水電加熱到1500℉（約816℃）。此過程中排出的氫氣和水，而非二氧化碳，由此產生的“海綿鐵”再在含有少量碳的電弧爐中熔化，以製造出鋼鐵。據悉，這一過程的二氧化碳排放量不到傳統焦炭燃料方案的2%。

更清潔！歐洲船企聯手打造綠色氨動力油輪

瓦錫蘭攜手Grieg打造全球首艘綠色氨動力油輪

在世界各地運輸貨物的大型集裝箱船其實是巨大的汙染源，其產生的二氧化碳排放量幾乎佔全球的3%。可惜，電池沒有足夠的能量密度為巨大船隻有效提供動力，而且在海洋中也幾乎無法實現充電。

今年，芬蘭瓦錫蘭公司與挪威航運集團的創新部門合作，聯手打造無碳氨動力船舶。目前，瓦錫蘭公司已經在實驗室成功完成了使用70%氨混合燃料發動機的測試，並計劃於2024年之前下水一艘純氨燃料動力油輪。

城市裡也能建海鮮農場？

新加坡開發全球首個垂直海鮮生產系統

自1980年以來，全球海水養殖業的快速發展已間接導致大約340萬英畝的紅樹林被摧毀，其中大部分位於東南亞。破壞這些吸碳生態系統會產生比養殖奶牛、豬或雞更高的碳足跡，而疾病暴發和被水道堵塞也困擾著海水養殖業。

“垂直海洋”為蝦提供更清潔可持續環境

“垂直海洋”是一家位於新加坡的農業食品科技初創公司，其開發的巨大“水塔”位於聖約翰島的海水養殖中心，就在新加坡本島南部。這是世界上第一個真正的垂直海鮮生產系統。這種垂直模式將多種營養生物學與先進的數字技術結合在一起，形成了高效堆積在垂直塔中的模組化生長棲息地。海水在一個平衡的生態系統中迴圈，蝦、魚和藻類愉快地共存。來自感測器和物聯網裝置的資料，透過人工智慧演算法，可以最佳化水質、生物生長條件和能源使用效率等。使用可持續的成分重新配製的飼料能夠最大限度地減少營養損失，還能改善蝦的口感。

這種方式讓幾乎100%的水得到了迴圈，而且無需修建下水道。今年，這一垂直海鮮生產系統共收穫了10批蝦，總計超過1噸的甲殼類動物。

一座能“自我檢查”的橋樑：義大利坍塌大橋重建後面世

2018年義大利熱那亞莫蘭迪大橋坍塌，造成43人死亡，目前原因尚不完全清楚。專家們推測，交通負荷過大、含鹽空氣的腐蝕、工廠汙染和高漲的河水都可能是幕後“推手”。

機器人的“眼睛”會不斷檢查聖喬治橋上最微小的缺陷

經建築師倫佐·皮亞諾重新設計的聖喬治橋今年早些時候揭幕，它取代了莫蘭迪橋。新橋添加了多種自動感測功能來檢測故障。一對2噸重的檢測機器人在碳複合材料軌道上跨過大橋，每8小時拍攝2.5萬張照片，從而讓機器視覺軟體能夠發現任何異常。此外，太陽能電池板還滿足了大橋95%的能源需求，包括提供照明和檢查危險接縫裂開的感測器所需電力。

刺激！郵輪上也能玩過山車

郵輪巨頭嘉年華打造海上首例過山車

歡樂谷和環球影城的過山車，想必有很多的人體驗過。在陸地上玩過山車早已不是新鮮事，但你有想過在一艘豪華郵輪上玩過山車嗎？美國嘉年華郵輪公司的“閃電”(Bolt)過山車能幫你實現願望。

“閃電”——美國嘉年華郵輪公司的終極海上過山車

“閃電”全程長近244米，具有扭曲旋轉、轉彎和快速下降等部分，時速可達近64公里，並可在海拔約57米的高度行進。因其利用電力驅動而非重力和慣性，操作員可以隨時控制“閃電”的速度，防止失控。

用“鐵”發電的鋰電池“平替”？

美初創公司新電池可續航百小時

為了維持完全可再生的電力供應網路，大型公司常常需要容量大且便宜的電池來滿足風力發電間歇或太陽能不足時的高峰用電需求，但在這種情況下使用大量鋰離子電池成本很高。

“大吉姆”——昂貴電池的“平替”

因此，美國創業公司Form Energy開創了一種新型廉價電池——鐵空氣金屬電池，其原料正是地球上最豐富的金屬之一：鐵。

這一電池原型綽號為“大吉姆（Big Jim）”，裡面裝滿了18000塊卵石大小的灰色鐵粒，一種豐富、無毒且不易燃的礦物質。“大吉姆”透過環境中的氧氣與鐵反應釋放電子，產生鐵鏽。電流將鐵鏽重新轉化為可用的鐵，釋放氧氣併為電池充電。

由於鎳、鈷、鋰和錳等礦物質價格昂貴，目前的鋰離子電池每千瓦時的價格為50到80美元。而Form Energy可以以每千瓦時20美元的價格生產這種新電池。據瞭解，該電池將在2025年投運，可持續提供100小時的電力。

從預測進化

AI能“構想”新蛋白質結構

半個世紀以來，科學家一直在尋找解決“蛋白質摺疊問題”的方法。這是生物學領域的一項重大挑戰，難倒了幾代科學家。但現在，人工智慧（AI）解決了這一問題。美國深度思維（DeepMind）公司開發的阿爾法摺疊系統已經能“構想”出具有穩定結構的新蛋白質。

深度思維開發的阿爾法摺疊系統“構想”出具有穩定結構的新蛋白質

在阿爾法摺疊出現之前，科學家只知道人體大約2萬種蛋白質中約17%的3D結構。現在，利用阿爾法摺疊，科學家獲得了幾乎所有（98.5%）人類蛋白質組的3D結構。其中36%的預測準確率非常高，已達到原子水平。

目前，深度思維已將其原始碼和預測資料庫開放，助力新藥或新材料的開發和研究。

未來製冷新方式：高科技面板可反射熱量

空調和風扇會消耗世界上10%的電力，預計到2050年，空調的使用量還將增加兩倍，吸收更多的能量，並將熱量返還到周圍的環境中。美國SkyCool系統公司正在用能反射光線的奈米技術屋頂打破這種有害迴圈。

更“熱”的世界需要更多不會增加電費的交流電

新輻射冷卻面板上覆蓋了多層光學薄膜，可以將波長在8至13微米之間的熱輻射散發出去，最終穿過地球大氣層並進入太空。此過程中，面板溫度最高可降低15°F（約9.4℃），為建築物現有系統提供零排放冷卻。

去年秋天，美國加利福尼亞州斯托克頓市的一家雜貨店安裝了一個原型機，透過面板下面的水管來冷卻商店的製冷系統，每年約可節省6000美元的電費。

大大降低礦工的風險：

澳公司推出地下礦山爆破解決新方案

採礦業是世界上最危險的行業之一。鋪設炸藥、炸燬隧道等種種作業中都存在危險，有時還會有地震發生。

Avatel讓礦工在作業的同時大大降低了安全風險。

澳大利亞澳瑞凱公司為危險的採礦行業提供了創新的特種機器人——Avatel機器人，這是全球首款雙臂、 半自動、全機械化炸藥輸送系統，只需一名操作員就能在安全環境下為其準備並裝填炸藥。利用WebGen無線啟動系統，Avatel在充電週期中不再需要傳統的連線和其他物理有線連線。

“直搗黃龍”！美無人水面帆船深入颶風“山姆”內部

為了解颶風是如何加強的並更好地預測未來的災害，科學家們需要風暴中的氣壓、水溫、溼度和風力條件等資料。

作為大西洋2021颶風季中最強的風暴，颶風“山姆（Sam）”引起了氣象部門的高度關注。儘管它沒有登陸的威脅，美國無人船企業Saildrone還是與美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）達成合作，以期更好地監測此類風暴。

今年9月，在太陽能和風力的推動下，Saildrone一架型號為Explorer SD 1045的約7米長的自動駕駛帆船猶如一把劈開水面的尖刀，“直搗黃龍”，插入了4級颶風“山姆”內部，成為有史以來第一艘進入颶風中心的機器人船隻。其機翼被縮短，能更好地承受極端條件，這艘無人駕駛帆船提供了首個此類風暴內部的資料和畫面，而所有工作都是在風速達到每小時190公里的情況下進行的。

目前，美國各地的實驗室已經開始使用Saildrone Explorer SD 1045帆船提供的海面資料。美國國家航空航天局已用它來完善衛星監測資料以研究氣候變化；國家海洋和大氣管理局則用它來調查阿拉斯加鱈魚的健康狀況。

文中圖片均來自美國《大眾科學》月刊網站

編輯：張琦琪

稽核：王小龍