2021年最“眼花繚亂”的工程創新

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無化石鋼告別CO2排放

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打造全球首艘綠色氨動力油輪

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“垂直海洋”為蝦提供更清潔環境

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機器人的“眼睛”會檢查缺陷

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終極海上過山車“閃電”

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“大吉姆”

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昂貴電池的“平替”

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阿爾法摺疊系統“構想”出新蛋白質

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能反射光線的納米技術屋頂

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機器人大大降低了採礦風險

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無人水面帆船可深入颶風內部

科技創新世界潮

◎實習記者 張佳欣

頂級工程創新，近則關係生產生活，遠則關係地球未來。比如，如何解決食品和能源生產等領域難以脱碳的困境？近日，美國《大眾科學》月刊盤點了過去一年來最令人“眼花繚亂”的工程創新，除了展示綠色技術的進步，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能（AI），以及激動人心的全球首款海上過山車等。

1.世界上第一種無化石鋼

鍊鋼產生的碳排放量佔世界碳排放量的7%—9%。為了減少碳足跡，瑞典HYBRIT（突破性氫鍊鐵技術）項目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。他們開發了一種“綠色鋼材”。氫氣在豎爐裏與礦石中的氧發生反應，利用風能和水電加熱到約816℃。此過程中排出氫氣和水，而非二氧化碳（CO2），由此產生的“海綿鐵”再在含有少量碳的電弧爐中熔化，製造出鋼鐵。這一過程的CO2排放量不到傳統方法的2%。

2.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污染源，其產生的CO2排放量幾乎佔全球的3%。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。

3.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毀。破壞這些吸碳生態系統會產生極高的碳足跡。

新加坡農業食品科技初創公司“垂直海洋”開發的巨大“水塔”就在新加坡本島南部，是高效堆積在垂直塔中的模塊化生長棲息地，也是世界上第一個真正的垂直海鮮生產系統。在這裏，海水在平衡的生態系統中循環，動植物愉快地共存。這種方式讓幾乎100%的水得到了循環，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。

4.坍塌大橋重建複用

2018年意大利熱那亞莫蘭迪大橋坍塌，造成43人死亡。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，取代了莫蘭迪橋。新橋添加了多種自動傳感功能來檢測故障。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，從而讓機器視覺軟件能夠發現任何異常。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傳感器所需電力。

5.海上首列過山車

在陸地上玩過山車早已不是新鮮事，美國嘉年華郵輪公司的“閃電”（Bolt）過山車竟建在海上郵輪上。“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。

6.新電池可續航百小時

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—80美元。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，其原料是地球上最豐富的金屬之一：鐵。其成本僅為每千瓦時20美元。該電池將在2025年投運，可持續提供100小時的電力。

7.AI“構想”新蛋白質結構

蛋白質摺疊問題是生物學領域的一項重大挑戰。現在，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。

此前，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。

8.製冷面板可反射熱量

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納米技術屋頂打破這種有害循環，預計每年約可節省6000美元的電費。

新輻射冷卻面板上覆蓋了多層光學薄膜，可以將波長在8—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，面板温度最高可降低約9.4℃，為建築系統提供零排放冷卻。

9.地下礦山爆破新方案

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，有時還會發生地震。

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。其利用WebGen無線啓動系統，充電時不需要有線連接。

10.無人帆船深入颶風內部

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、水温、濕度和風力等數據。

今年9月，美國無人船企業Saildrone一架型號為Explorer SD 1045的約7米長的自動駕駛帆船“直搗黃龍”，深入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批此類風暴內部的數據和畫面，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。

本文圖片來源：《大眾科學》網站