科技日报实习记者 张佳欣
近日，美国《大众科学》月刊发表题为《2021年最令人“眼花缭乱”的工程创新》的文章。文章称，今年的顶级工程创新有关地球未来的紧迫问题，包括如何解决食品和能源生产等领域难以脱碳的困境。而除了展示了绿色技术的进步，这些创新还涉及更安全的采矿方式、可解开蛋白质结构奥秘的人工智能（AI），以及激动人心的全球首款海上过山车等。
炼钢只排放水！世界上第一种无化石钢来了
无化石钢告别二氧化碳排放
炼钢产生的碳排放量占世界碳排放量的7%到9%，这主要是源于一种被称为“焦炭”的经过特殊加工的煤炭。在高达3000℉（约1649℃）的温度下，焦炭与铁矿石中的氧发生反应，将金属提纯成炼钢所需的形式，但此过程中会有大量二氧化碳排出。
为了减少碳足迹，瑞典HYBRIT（突破性氢炼铁技术）项目致力于用可再生的电力和氢气取代传统上以矿石为基础的炼钢所需的焦煤，其开发了一种“绿色钢材”。氢气在竖炉里与矿石中的氧发生反应，利用风能和水电加热到1500℉（约816℃）。此过程中排出的氢气和水，而非二氧化碳，由此产生的“海绵铁”再在含有少量碳的电弧炉中熔化，以制造出钢铁。据悉，这一过程的二氧化碳排放量不到传统焦炭燃料方案的2%。
更清洁！欧洲船企联手打造绿色氨动力油轮
瓦锡兰携手Grieg打造全球首艘绿色氨动力油轮
在世界各地运输货物的大型集装箱船其实是巨大的污染源，其产生的二氧化碳排放量几乎占全球的3%。可惜，电池没有足够的能量密度为巨大船只有效提供动力，而且在海洋中也几乎无法实现充电。
今年，芬兰瓦锡兰公司与挪威航运集团的创新部门合作，联手打造无碳氨动力船舶。目前，瓦锡兰公司已经在实验室成功完成了使用70%氨混合燃料发动机的测试，并计划于2024年之前下水一艘纯氨燃料动力油轮。
城市里也能建海鲜农场？新加坡开发全球首个垂直海鲜生产系统自1980年以来，全球海水养殖业的快速发展已间接导致大约340万英亩的红树林被摧毁，其中大部分位于东南亚。破坏这些吸碳生态系统会产生比养殖奶牛、猪或鸡更高的碳足迹，而疾病暴发和被水道堵塞也困扰着海水养殖业。
“垂直海洋”为虾提供更清洁可持续环境
“垂直海洋”是一家位于新加坡的农业食品科技初创公司，其开发的巨大“水塔”位于圣约翰岛的海水养殖中心，就在新加坡本岛南部。这是世界上第一个真正的垂直海鲜生产系统。这种垂直模式将多种营养生物学与先进的数字技术结合在一起，形成了高效堆积在垂直塔中的模块化生长栖息地。海水在一个平衡的生态系统中循环，虾、鱼和藻类愉快地共存。来自传感器和物联网设备的数据，通过人工智能算法，可以优化水质、生物生长条件和能源使用效率等。使用可持续的成分重新配制的饲料能够最大限度地减少营养损失，还能改善虾的口感。
这种方式让几乎100%的水得到了循环，而且无需修建下水道。今年，这一垂直海鲜生产系统共收获了10批虾，总计超过1吨的甲壳类动物。
一座能“自我检查”的桥梁：意大利坍塌大桥重建后面世2018年意大利热那亚莫兰迪大桥坍塌，造成43人死亡，目前原因尚不完全清楚。专家们推测，交通负荷过大、含盐空气的腐蚀、工厂污染和高涨的河水都可能是幕后“推手”。
机器人的“眼睛”会不断检查圣乔治桥上最微小的缺陷
经建筑师伦佐·皮亚诺重新设计的圣乔治桥今年早些时候揭幕，它取代了莫兰迪桥。新桥添加了多种自动传感功能来检测故障。一对2吨重的检测机器人在碳复合材料轨道上跨过大桥，每8小时拍摄2.5万张照片，从而让机器视觉软件能够发现任何异常。此外，太阳能电池板还满足了大桥95%的能源需求，包括提供照明和检查危险接缝裂开的传感器所需电力。
刺激！邮轮上也能玩过山车邮轮巨头嘉年华打造海上首例过山车欢乐谷和环球影城的过山车，想必有很多的人体验过。在陆地上玩过山车早已不是新鲜事，但你有想过在一艘豪华邮轮上玩过山车吗？美国嘉年华邮轮公司的“闪电”(Bolt)过山车能帮你实现愿望。
“闪电”——美国嘉年华邮轮公司的终极海上过山车
“闪电”全程长近244米，具有扭曲旋转、转弯和快速下降等部分，时速可达近64公里，并可在海拔约57米的高度行进。因其利用电力驱动而非重力和惯性，操作员可以随时控制“闪电”的速度，防止失控。
用“铁”发电的锂电池“平替”？美初创公司新电池可续航百小时为了维持完全可再生的电力供应网络，大型公司常常需要容量大且便宜的电池来满足风力发电间歇或太阳能不足时的高峰用电需求，但在这种情况下使用大量锂离子电池成本很高。
“大吉姆”——昂贵电池的“平替”
因此，美国创业公司Form Energy开创了一种新型廉价电池——铁空气金属电池，其原料正是地球上最丰富的金属之一：铁。
这一电池原型绰号为“大吉姆（Big Jim）”，里面装满了18000块卵石大小的灰色铁粒，一种丰富、无毒且不易燃的矿物质。“大吉姆”通过环境中的氧气与铁反应释放电子，产生铁锈。电流将铁锈重新转化为可用的铁，释放氧气并为电池充电。
由于镍、钴、锂和锰等矿物质价格昂贵，目前的锂离子电池每千瓦时的价格为50到80美元。而Form Energy可以以每千瓦时20美元的价格生产这种新电池。据了解，该电池将在2025年投运，可持续提供100小时的电力。
从预测进化AI能“构想”新蛋白质结构半个世纪以来，科学家一直在寻找解决“蛋白质折叠问题”的方法。这是生物学领域的一项重大挑战，难倒了几代科学家。但现在，人工智能（AI）解决了这一问题。美国深度思维（DeepMind）公司开发的阿尔法折叠系统已经能“构想”出具有稳定结构的新蛋白质。
深度思维开发的阿尔法折叠系统“构想”出具有稳定结构的新蛋白质
在阿尔法折叠出现之前，科学家只知道人体大约2万种蛋白质中约17%的3D结构。现在，利用阿尔法折叠，科学家获得了几乎所有（98.5%）人类蛋白质组的3D结构。其中36%的预测准确率非常高，已达到原子水平。
目前，深度思维已将其源代码和预测数据库开放，助力新药或新材料的开发和研究。
未来制冷新方式：高科技面板可反射热量空调和风扇会消耗世界上10%的电力，预计到2050年，空调的使用量还将增加两倍，吸收更多的能量，并将热量返还到周围的环境中。美国SkyCool系统公司正在用能反射光线的纳米技术屋顶打破这种有害循环。
更“热”的世界需要更多不会增加电费的交流电
新辐射冷却面板上覆盖了多层光学薄膜，可以将波长在8至13微米之间的热辐射散发出去，最终穿过地球大气层并进入太空。此过程中，面板温度最高可降低15°F（约9.4℃），为建筑物现有系统提供零排放冷却。
去年秋天，美国加利福尼亚州斯托克顿市的一家杂货店安装了一个原型机，通过面板下面的水管来冷却商店的制冷系统，每年约可节省6000美元的电费。
大大降低矿工的风险：澳公司推出地下矿山爆破解决新方案采矿业是世界上最危险的行业之一。铺设炸药、炸毁隧道等种种作业中都存在危险，有时还会有地震发生。
Avatel让矿工在作业的同时大大降低了安全风险。
澳大利亚澳瑞凯公司为危险的采矿行业提供了创新的特种机器人——Avatel机器人，这是全球首款双臂、 半自动、全机械化炸药输送系统，只需一名操作员就能在安全环境下为其准备并装填炸药。利用WebGen无线启动系统，Avatel在充电周期中不再需要传统的连接和其他物理有线连接。
“直捣黄龙”！美无人水面帆船深入飓风“山姆”内部为了解飓风是如何加强的并更好地预测未来的灾害，科学家们需要风暴中的气压、水温、湿度和风力条件等数据。
作为大西洋2021飓风季中最强的风暴，飓风“山姆（Sam）”引起了气象部门的高度关注。尽管它没有登陆的威胁，美国无人船企业Saildrone还是与美国国家海洋和大气管理局（NOAA）达成合作，以期更好地监测此类风暴。
今年9月，在太阳能和风力的推动下，Saildrone一架型号为Explorer SD 1045的约7米长的自动驾驶帆船犹如一把劈开水面的尖刀，“直捣黄龙”，插入了4级飓风“山姆”内部，成为有史以来第一艘进入飓风中心的机器人船只。其机翼被缩短，能更好地承受极端条件，这艘无人驾驶帆船提供了首个此类风暴内部的数据和画面，而所有工作都是在风速达到每小时190公里的情况下进行的。
目前，美国各地的实验室已经开始使用Saildrone Explorer SD 1045帆船提供的海面数据。美国国家航空航天局已用它来完善卫星监测数据以研究气候变化；国家海洋和大气管理局则用它来调查阿拉斯加鳕鱼的健康状况。
文中图片均来自美国《大众科学》月刊网站
编辑：张琦琪
审核：王小龙
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