Industri penerbangan mengeluarkan 2 peratus daripada pelepasan karbon dioksida yang disebabkan oleh manusia. Bahagian ini mungkin agak kecil - untuk perspektif, penjanaan elektrik dan pemanasan rumah akaun lebih dari 40 peratus - tetapi penerbangan adalah salah satu sumber gas rumah hijau yang paling cepat berkembang di dunia. Permintaan untuk perjalanan udara dijangka berganda dalam 20 tahun akan datang.
Syarikat penerbangan berada di bawah tekanan untuk mengurangkan pelepasan karbon mereka, dan sangat terdedah kepada turun naik harga minyak global. Cabaran-cabaran ini telah mendorong minat yang tinggi terhadap bahan bakar jet yang diperoleh biomass. Bahan api bio-jet boleh dihasilkan dari pelbagai bahan tumbuhan, termasuk tanaman minyak, tanaman gula, tumbuhan berbau dan biomassa lignoselulosa, melalui pelbagai laluan kimia dan biologi. Walau bagaimanapun, teknologi untuk menukar minyak ke bahan api jet adalah pada tahap pembangunan yang lebih maju dan menghasilkan kecekapan tenaga yang lebih tinggi daripada sumber lain.
Kami adalah tebu kejuruteraan, kilang yang paling produktif di dunia, untuk menghasilkan minyak yang boleh diubah menjadi bahan bakar bio-jet. Dalam satu kajian baru-baru ini, kami mendapati bahawa penggunaan tebu yang direka ini dapat menghasilkan lebih daripada 2, 500 liter bahan bakar bio-jet setiap ekar tanah. Secara ringkas, ini bermakna bahawa Boeing 747 boleh terbang selama 10 jam pada bahan bakar bio-jet yang dihasilkan hanya di atas tanah seluas 54 ekar. Berbanding dengan dua sumber tumbuhan bersaing, kacang soya dan jatropha, lipidcane akan menghasilkan kira-kira 15 dan 13 kali bahan api jet setiap unit tanah.
Mewujudkan tebu dwifungsi
Bahan api bio-jet yang berasal dari bahan makanan kaya minyak, seperti camelina dan alga, telah berjaya diuji dalam bukti penerbangan konsep. Persatuan Pengujian dan Bahan Amerika telah meluluskan 50:50 bahan bakar jet berasaskan petroleum dan bahan api jet yang dapat diperbaharui hidro untuk penerbangan komersial dan ketenteraan.
Bagaimanapun, walaupun usaha penyelidikan dan pengkomersialan yang ketara, jumlah bahan api bio-jet pengeluaran semasa sangat kecil. Membuat produk-produk ini pada skala yang lebih besar akan memerlukan penambahbaikan teknologi dan bahan bakar kos rendah yang berlimpah (tanaman yang digunakan untuk membuat bahan bakar).
Tebu adalah sumber biofuel yang terkenal: Brazil telah menanam jus tebu untuk membuat bahan api berasaskan alkohol selama beberapa dekad. Etanol dari tebu menghasilkan 25 peratus lebih banyak tenaga daripada jumlah yang digunakan semasa proses pengeluaran, dan mengurangkan pelepasan gas rumah hijau sebanyak 12 peratus berbanding dengan bahan api fosil.
Menuai tebu di Brazil (Jonathan Wilkins, CC BY-SA) Kami tertanya-tanya sama ada kita boleh meningkatkan pengeluaran minyak semula jadi tumbuhan dan menggunakan minyak untuk menghasilkan biodiesel, yang memberikan manfaat alam sekitar yang lebih besar. Biodiesel menghasilkan 93 peratus tenaga lebih daripada yang diperlukan untuk menjadikannya dan mengurangkan pelepasan sebanyak 41 peratus berbanding dengan bahan api fosil. Etanol dan biodiesel kedua-duanya boleh digunakan dalam bahan bakar bio-jet, tetapi teknologi untuk menukar minyak yang ditanam tumbuhan kepada bahan bakar jet adalah pada tahap pembangunan maju, menghasilkan kecekapan tenaga yang tinggi dan siap untuk penggunaan berskala besar.
Apabila kami pertama kali mencadangkan tebu kejuruteraan untuk menghasilkan lebih banyak minyak, sesetengah rakan sekerja kami fikir kami gila. Tumbuhan tebu mengandungi hanya minyak 0.05 peratus, yang terlalu sedikit untuk ditukar kepada biodiesel. Banyak saintis tumbuhan berteori bahawa peningkatan jumlah minyak kepada 1 peratus akan menjadi toksik kepada tumbuhan, tetapi model komputer kami meramalkan bahawa kami dapat meningkatkan pengeluaran minyak menjadi 20 peratus.
Dengan sokongan dari Projek Penyelidikan Lanjutan Jabatan Tenaga Agensi-Tenaga, kami melancarkan satu projek penyelidikan yang dipanggil Tanaman Kejuruteraan untuk Mengganti Minyak di Tebu dan Sorghum, atau PETROSS, pada tahun 2012. Sejak itu, melalui kejuruteraan genetik kami telah meningkatkan pengeluaran minyak dan asid lemak untuk mencapai 12 peratus minyak dalam daun tebu.
Sebotol minyak yang dihasilkan dari PETROSS lipidcane (Claire Benjamin / University of Illinois, CC BY-ND) Sekarang kita sedang berusaha untuk mencapai 20 peratus minyak - batasan teoretikal, mengikut model komputer kita - dan menargetkan pengumpulan minyak ini ke batang tumbuhan, di mana ia lebih mudah dicapai daripada daun. Penyelidikan awal kami menunjukkan bahawa walaupun tumbuhan kejuruteraan menghasilkan lebih banyak minyak, mereka terus menghasilkan gula. Kami memanggil lipidcane tumbuh-tumbuhan ini.
Pelbagai produk dari lipidcane
Lipidcane menawarkan banyak kelebihan untuk petani dan alam sekitar. Kami mengira bahawa lipidcane yang semakin meningkat yang mengandungi 20 peratus minyak akan menjadi lima kali lebih menguntungkan satu ekar daripada kacang soya, bahan mentah utama yang kini digunakan untuk membuat biodiesel di Amerika Syarikat, dan dua kali lebih baik daripada satu ekar sebagai jagung.
Untuk menjadi mampan, bahan bakar bio-jet juga harus ekonomis untuk diproses dan mempunyai hasil pengeluaran yang tinggi yang meminimumkan penggunaan tanah pertanian. Kami menganggarkan bahawa berbanding dengan kacang soya, lipidcane yang mengandungi 5 peratus minyak dapat menghasilkan empat kali lebih banyak bahan bakar jet per hektar tanah. Lipidcane dengan 20 peratus minyak dapat menghasilkan lebih dari 15 kali lebih banyak bahan bakar jet per hektar.
Dan lipidcane menawarkan manfaat tenaga lain. Bahagian tumbuhan yang ditinggalkan selepas pengekstrakan jus, yang dikenali sebagai bagas, boleh dibakar untuk menghasilkan stim dan elektrik. Menurut analisis kami, ini akan menjana lebih banyak tenaga elektrik untuk membiayai biorefinery, jadi kuasa lebihan boleh dijual kembali ke grid, menggantikan elektrik yang dihasilkan daripada bahan api fosil - satu amalan yang sudah digunakan di beberapa tumbuhan di Brazil untuk menghasilkan etanol dari tebu.
Potensi bioenergi Amerika Syarikat
Tebu tumbuh subur di tanah yang tidak sesuai dengan banyak tanaman makanan. Pada masa ini ia ditanam terutamanya di Brazil, India dan China. Kami juga kejuruteraan lipidcane untuk menjadi lebih dingin-toleran supaya ia dapat dibesarkan dengan lebih meluas, terutamanya di tenggara Amerika Syarikat pada tanah kurang dimanfaatkan.
Sebuah peta rantau lipidcane yang bertekstur sejuk (PETROSS) Jika kita menumpukan 23 juta ekar di Amerika Syarikat tenggara ke lipidcane dengan 20 peratus minyak, kita menganggarkan bahawa tanaman ini dapat menghasilkan 65 peratus bekalan bahan bakar jet AS. Pada masa ini, dalam dolar semasa, bahan api itu akan menelan kos penerbangan US $ 5.31 setiap gelen, yang kurang daripada bahan bakar bio-jet yang dihasilkan daripada alga atau tanaman minyak lain seperti kacang soya, canola atau minyak sawit.
Lipidcane juga boleh ditanam di Brazil dan kawasan tropika lain. Seperti yang telah dilaporkan baru-baru ini dalam Perubahan Iklim Alam, pengeluaran tebu atau lipidcane secara ketara di Brazil dapat mengurangkan pelepasan karbon dioksida semasa global sehingga 5.6 peratus. Ini boleh dicapai tanpa melibatkan kawasan-kawasan yang ditakrifkan oleh kerajaan Brazil sebagai sensitif terhadap alam sekitar, seperti hutan hujan.
Dalam mengejar 'energik'
Penyelidikan lipidcane kami juga termasuk kejuruteraan genetik tumbuhan untuk menjadikannya photosynthesize lebih cekap, yang diterjemahkan kepada lebih banyak pertumbuhan. Dalam artikel 2016 dalam Sains, salah seorang daripada kami (Stephen Long) dan rakan-rakan di institusi lain menunjukkan bahawa meningkatkan kecekapan fotosintesis dalam tembakau menaikkan pertumbuhannya sebanyak 20 peratus. Pada masa ini, penyelidikan awal dan ujian lapangan sisi menunjukkan bahawa kami telah meningkatkan kecekapan fotosintesis tebu sebanyak 20 peratus, dan hampir 70 peratus dalam keadaan sejuk.
Tebu biasa (kiri) berkembang di samping tungku PETROSS yang direka bentuk, yang kelihatan lebih tinggi dan bushier, dalam ujian lapangan di University of Florida. (Fredy Altpeter / University of Florida, CC BY-ND) Sekarang pasukan kami mula bekerja untuk membuat kejuruteraan pelbagai tebu yang lebih tinggi yang kami panggil "energik" untuk mencapai lebih banyak pengeluaran minyak per hektar. Kami mempunyai lebih banyak landasan untuk dikawal sebelum ia boleh dikomersialkan, tetapi membangunkan tumbuhan yang berdaya maju dengan minyak yang cukup untuk menghasilkan bahan bakar biodiesel dan bio-jet secara ekonomi adalah langkah pertama yang utama.
Nota Editor: Artikel ini telah dikemaskini untuk menjelaskan bahawa kajian oleh Stephen Long dan lain-lain yang diterbitkan dalam Sains pada 2016 melibatkan peningkatan kecekapan fotosintesis dalam tumbuhan tembakau.
Artikel ini pada asalnya diterbitkan di The Conversation.
Deepak Kumar, Penyelidik pasca doktoral, Universiti Illinois di Urbana-Champaign
Stephen P. Long, Profesor Sains Tanaman dan Biologi Tumbuhan, University of Illinois di Urbana-Champaign
Vijay Singh, Profesor Kejuruteraan Pertanian dan Biologi dan Pengarah Makmal Penyelidikan Bioproses Bersepadu, Universiti Illinois di Urbana-Champaign
