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    2021年度工程技術十大創新︱POPULAR SCIENCE

       日期:2022-09-23     瀏覽:34     評論:0    
    核心提示:近期,美國媒體《大眾科學》(Popular Science)評選出2021年十大最頂尖工程創新。這其中有綠色技術的進步,有望解決關乎地球未來的緊迫問題,包括如何幫助食品和能源生產等領域走

    近期,美國媒體《大眾科學》(Popular Science)評選出2021年十大最頂尖工程創新。這其中有綠色技術的進步,有望解決關乎地球未來的緊迫問題,包括如何幫助食品和能源生產等領域走出難以脫碳的困境;還有的創新向我們展示了更安全的采礦方式,或基于人工智能解開了蛋白質結構的奧秘;我們甚至看到了激動人心的全世界第一款海上過山車……

    無碳煉鋼只出水,全球第一款燒氫氣的綠色鋼材

     

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    全球煉鋼產生的碳排放占總排放量的7%~9%,主要來自一種被稱為“焦炭”(主要成分為碳)的特殊加工煤。在一千多度的高溫下,焦炭通過多步反應奪走鐵礦石(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,瑞典的工業財團開發了Hybrit鋼鐵。

    Hybrit是通過氫而非碳來將鐵礦石轉化為鋼鐵的:利用風能和水力發電加熱豎爐至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(沒有二氧化碳),由此產生的“海綿鐵”在電弧爐中熔化以制造鋼。

    Hybrit的研發團隊表示,該過程的二氧化碳排放量不到標準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輛。

    無碳電車只燃氨,純氨動力油輪未來可期?

     

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    集裝箱船為我們的廉價消費品經濟提供了動力,但也產生了近3%的二氧化碳排放量。電池沒有足夠的能量密度來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,芬蘭發動機制造商瓦錫蘭(W?rtsil?)與挪威物流巨頭格里格(Grieg)攜手,合作研發無碳排放的氨燃料動力船舶。

    工程師將使用由挪威風電場提供的電力來電解制得氫氣,氫氣繼而與氮氣反應產生氨。瓦錫蘭公司已經測試通過了使用70%氨混合物的發動機,并計劃于2024年推出純氨燃料動力油輪。

    垂直海鮮農場:城中、室內、綠色

    自20世紀80年代以來,全球蝦類養殖行業已經圍墾了近1.4萬平方公里的紅樹林(主要在東南亞)。將天然碳匯變作蝦塘的行為留下了高于養殖奶牛、豬或雞所造成的碳足跡。疾病暴發和水道廢物堵塞的問題也困擾著該行業。

     

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    革命性的“垂直海洋”模式在室內開展養殖:貝類生活于模塊化的校車大小的水箱里;藻類、海草和底飼魚類濾除廢物。如此一來,近100%的水得到再循環,且無需下水道。新加坡的一個垂直海洋原型今年有10次收成,獲得總計超過一噸的甲殼類動物。

    橋梁觀察者:不放過任何異常

     

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    目前尚不明確是何原因導致了2018年意大利熱那亞大橋坍塌,最終造成43人死亡。不過專家認為,交通負荷過大、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揮了一定作用。在熱那亞出生的建筑師倫佐·皮亞諾(Renzo Piano)設計完新橋之后,還添加了多種自動感應功能用于檢測故障。

    一對兩噸重的檢查機器人在碳復合材料軌道上穿過橋梁,每8小時拍攝25000張起落架的照片,進而令機器視覺軟件能夠發現任何異常情況。太陽能電池板可滿足橋梁95%的能源需求,包括用于檢查危險的接頭膨脹的照明和傳感器。

    全球第一座海上過山車

     

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    普通的過山車通過重力讓乘客體驗極限刺激。如果你想在海上感受過山車的驚險刺激——嘉年華郵輪公司的狂歡節號游輪配備的“BOLT終極海上過山車”將滿足你的需求。鑒于游輪遠不能保證穩定而平坦的地面,因此設計者必須要有創意。

    BOLT是第一座海上過山車,由電力驅動(而非常規的重力),能搭載兩位客人乘坐摩托車式的推車,沿著一條懸浮在海平面以上57米的環形軌道行進,速度由乘客控制,最高可達近65公里/小時。

    鐵電池,未來告別煤炭和天然氣?

     

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    要維持完全可再生的電網,公用事業公司需要大且便宜的電池以便在無風或無陽光時將大量廉價電力儲入電網,可那些用在筆記本電腦和電動汽車中的鋰離子電池價格昂貴。

    鑒于此,美國創業公司FormEnergy開創了一種基于鐵(地球上最豐富的金屬之一)的新型高效電池,號稱“大吉姆”(Big Jim)。

    大吉姆可通過鐵與環境中氧氣發生反應來釋放電子,同時生成氧化物;而流入的電子流又將鐵銹變回鐵,釋放氧氣并為電池充電。

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

    AI精準預測蛋白質三維結構

     

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    今年以前,科學界只知道17%的人體蛋白質的確切三維形狀——而過去50年間,蛋白質結構解析一直都是科學圣杯一般的存在。深度學習算法AlphaFold現已破解了2萬種人體蛋白質中的98%以上的結構,其中36%的預測精確至原子水平。

    DeepMind已將其源代碼和預測數據庫公之于眾,為新藥研制、致病突變抑制劑開發以及新材料設計提供了新的可能。

    天空空調

     

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    空調和風扇消耗全世界10%的電力。專家預計到2050年交流電的使用量將增加2倍。制冷系統吸收大量能量并將熱量推到周圍環境——SkyCoolSystems公司正嘗試利用光反射屋頂納米技術打破這個危險的反饋循環:

    鋁基面板涂有多層光學薄膜,反射波長在8~13微米之間的輻射,位于此區間的光波能穿過地球大氣層并進入太空。這樣可使面板溫度最多下降8.3攝氏度,為建筑物的現有系統提供無排放冷卻。

    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,以冷卻他們的制冷系統——估計每年可助其剩下6000美元的電費。

    礦工至愛,采礦圣手

     

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    采礦業是全世界最危險的行業之一,而那些負責爆破隧道的人員特別容易受到傷害——未必來自爆炸物,而是來自地震活動或鋪設炸藥時發生的巖石墜落。全球最大的商業炸藥和爆破系統供應商之一、來自澳大利亞的Orica公司為危險的采礦行業提供了創新特種機器人——Avatel機器人。

    該系統能在地下采礦過程中完成自動爆破,而工作人員則于安全環境下進行操作:

    礦工在一個安全小屋內操縱一對機器手臂放置炸藥,而工程師和地質學家回到控制室,隨條件變化遠程提供實時建議。設置完成后,駕駛員將Avatel移開并以無線方式發送引爆信號。

    駛入颶風之眼,采集極限數據

     

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    為了解颶風如何增強并更好地預測未來的災害,科學家需要關于颶風內的氣壓、空氣、水溫、濕度和風力條件的數據。

    美國Saildrone公司研發的自主機器人船Saildrone由太陽能和風能提供動力,于2020年9月進入4級颶風“山姆”內部,成為有史以來第一艘進入颶風眼的機器人交通工具。

    Saildrone縮短了儀表翼以更好地承受極端條件,能在風速達到193公里/小時的情況下提供鏡頭和讀數,可謂行業標桿。

    Saildrone可提供衛星圖像不能提供海洋表面的數據,而美國的研究機構已經開始將這艘神器用于重要工作:

    NASA借助Saildrone提聲衛星數據的價值并研究氣候變化,美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)用它調查阿拉斯加狹鱈的健康狀況。

     
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