چگونه تبدیل برق مستقیم به غذا می تواند به نجات سیاره کمک کند

فناوری‌هایی که اکنون در حال توسعه هستند می‌توانند به ما کمک کنند تا غذا را بدون نیاز به نور مستقیم خورشید پرورش دهیم

در 70 سال آینده بیشتر منتظر چه پیشرفت هایی هستید؟ این سوالی است که ما در نیو ساینتیست با نزدیک شدن به هفتادمین سالگرد ما پرسیده ایم. برای من، یک پاسخ روشن وجود دارد: غذاهای خورشیدی، که با تبدیل مستقیم برق تجدیدپذیر به غذا ساخته می شوند.

این در حال حاضر در مقیاس کوچک انجام می شود. چالش های بزرگ این است که آن را به اندازه کافی کارآمد کنید تا بتواند با غذاهای معمولی از نظر قیمت رقابت کند و به اندازه کافی خوشمزه شود که مردم آن را بخرند. وقتی صحبت از طعم به میان می‌آید، شاید امیدوارکننده‌ترین رویکرد electro-ag یا رشد گیاهان با برق به جای نور خورشید باشد. حداقل در اصل، همه میوه ها و سبزیجاتی که دوست داریم - توت فرنگی، آووکادو، زیتون، می توانند در تاریکی رشد کنند.

چرا ما می خواهیم این کار را انجام دهیم؟ از آنجایی که کشاورزی مخرب‌ترین فعالیت‌های بشری است و دو بحران بزرگ را که با آن روبرو هستیم، یعنی گرمایش جهانی و از دست دادن تنوع زیستی، هدایت می‌کند. و بله، منظور من تمام کشاورزی، از جمله ارگانیک است. اشکال کم‌فشار کشاورزی معمولا غذای کمتری را در هر سطح زمین تولید می‌کنند، که در نهایت به معنای قطع جنگل‌های بیشتر در جایی از جهان است.

هر سال دهان های بیشتری برای تغذیه داریم. نه تنها جمعیت جهان همچنان در حال افزایش است، بلکه مردم با ثروتمندتر شدن، گوشت بیشتری می خورند. بنابراین، ما باید هر سال غذای بیشتری را برای خود و حیواناتی که می خوریم تولید کنیم، اما این امر سخت تر و سخت تر می شود زیرا گرمایش جهانی باعث ایجاد آب و هوای شدیدتر می شود. بازده محصولات اصلی مانند گندم به لطف پیشرفت های تکنولوژیکی در حال افزایش بوده است، اما بدون تلفات فزاینده ناشی از تغییرات آب و هوایی حتی بیشتر می شد. خطر این است که بازده جهانی شروع به کاهش کند، همانطور که امسال در اروپا اتفاق افتاد.

این بدان معناست که زمین های بیشتری باید برای کشت محصولات پاکسازی شود و در نتیجه انتشار گازهای گلخانه ای بیشتر شود.

به عبارت دیگر، احتمالا در یک چرخه معیوب قرار می‌گیریم که در آن گرمایش جهانی که بخشی از آن توسط کشاورزی هدایت می‌شود، به تولید مواد غذایی آسیب بیشتری وارد می‌کند، که منجر به افزایش انتشار گازهای گلخانه‌ای و در عین حال گرم شدن بیشتر در تلاش برای جبران تلفات فزاینده مواد غذایی می‌شود. این یک چشم انداز نسبتا وحشتناک است.

چه کاری می توانیم در مورد آن انجام دهیم؟ برخی ادعا می‌کنند که پاسخ، کشت محصولات در محیط‌های بسته تحت نورهای مصنوعی است که به عنوان کشاورزی عمودی شناخته می‌شود. متأسفانه، همانطور که در سال 2015 گزارش دادم، این یک شروع کننده نیست - و همانطور که شرکت پس از ورشکستگی نشان داد.

مشکل اساسی این است که گیاهان در تبدیل نور خورشید به غذا وحشتناک هستند. به طور معمول، کمتر از 1 درصد از انرژی خورشیدی که به یک محصول برخورد می کند، به غذایی که می خوریم ختم می شود. وقتی نور خورشید آزاد باشد، مهم نیست که بیش از 99 درصد آن هدر رود. اما اگر هزینه برق را برای چراغ‌های رشد بپردازید، به یک مشکل بزرگ تبدیل می‌شود.

همچنین یک مشکل کاربری زمین وجود دارد. بله، لایه‌هایی از گیاهان را می‌توان روی هم چید، اما هر هکتار از منطقه رشد به حدود 13 هکتار پانل‌های خورشیدی برای تامین انرژی چراغ‌ها نیاز دارد، بنابراین استفاده کلی از زمین در هر واحد غذا افزایش می‌یابد. مثلا با استفاده از انرژی هسته ای می توان از این امر جلوگیری کرد، اما انرژی هسته ای نه ارزان است و نه کم مصرف.

از این رو علاقه به تبدیل هوا، آب و برق به طور مستقیم به غذا، برای کاهش نیاز به زمین با بهره‌گیری از پنل‌های خورشیدی بسیار کارآمدتر از گیاهان است. پنل های خورشیدی استاندارد بیش از 20 درصد انرژی وارد شده به آنها را به انرژی الکتریکی تبدیل می کنند و برخی از پنل های آزمایشی بیش از دو برابر این میزان را به دست می آورند.

غذای گیاهی الکتروشیمیایی

ایده کلی این است که الکتریسیته را به یک ماده شیمیایی تبدیل کنیم که میکروب ها بتوانند از آن تغذیه کنند، به عنوان مثال با الکترولیز آب برای تولید گاز هیدروژن. این کاری است که سولار فودز در فنلاند انجام می دهد. فرآیند آن متکی به یکی از میکروب های متعددی است که می توانند از هیدروژن به عنوان منبع انرژی استفاده کنند.

سولار فودز این باکتری ها را در خمره ها رشد می دهد و همچنین CO2 را به عنوان منبع کربن و آمونیاک را به عنوان منبع نیتروژن همراه با سایر مواد مغذی ضروری تامین می کند. ایده این است که از CO2 حاصل از جذب مستقیم هوا و آمونیاک ساخته شده از هیدروژن استفاده شود، که در صورت تامین انرژی خورشیدی یا باد، فرآیند را تقریبا کربن خنثی می کند.

سولار فودز پروتئین سولین را در داخل بیورآکتورها رشد می دهد

باکتری ها خشک می شوند تا پودر زرد رنگی به نام سولین تولید کنند که تا 80 درصد پروتئین دارد. می توان آن را به شکل نوارهای پروتئینی یا نوشیدنی تهیه کرد یا به غذاهایی مانند شیرینی و پاستا اضافه کرد تا جایگزین تخم مرغ شود. پسی واینیککا، یکی از بنیانگذاران، می گوید که محصولات حاوی Solein در حال حاضر در ایالات متحده و سنگاپور در دسترس هستند و این شرکت امیدوار است به زودی در اتحادیه اروپا نیز تایید شود.

Vainikka می گوید که کارخانه کوچک نمایشی این شرکت حتی بهتر از حد انتظار کار می کند. "این واقعا خوب مقیاس شده است. تقریبا پنج برابر بیشتر از آن چیزی است که ما در ابتدا فکر می کردیم." سولار فودز اکنون قصد دارد کارخانه دومی با ظرفیت 6400 تن در سال بسازد. می‌خواهد هزینه ساخت سولین را به چند دلار در هر کیلوگرم کاهش دهد و امیدوار است که با جهش اخیر قیمت‌های پروتئین در بازار، آن را بیش از دو برابر آن بفروشد.

چندین استارت آپ دیگر، از جمله Jooules، Air Protein و Aerbio نیز هدفشان تولید پروتئین از میکروب های تغذیه شده از گازها است.

هیچ دلیلی برای شک وجود ندارد که تخمیر گازی، همانطور که این فرآیند شناخته شده است، می تواند به شدت افزایش یابد - زیرا قبلا چنین بوده است. بین سال های 1999 تا 2005، یک شرکت نروژی به نام نورفرم، 110000 تن پروتئین میکروبی از متان تولید کرد که به عنوان غذای ماهی استفاده می شد. نورفرم تولید خود را متوقف کرد زیرا در آن زمان سودآور نبود، اما با افزایش قیمت پروتئین، اکنون چندین شرکت پروتئین های میکروبی را برای استفاده به عنوان خوراک دام تولید می کنند.

به عنوان مثال، شرکت آمریکایی Calysta یک کارخانه 20000 تنی در سال در چین ساخته است، در حالی که Unibio در دانمارک در حال ساخت کارخانه 50000 تنی در سال در عربستان سعودی است.

"اما" بزرگ در اینجا این است که این شرکت ها از متان منابع سوخت فسیلی استفاده می کنند. این کار مزایایی دارد - مانند نیاز به زمین بسیار کمتر از مثلا کشت سویا - اما تمام کربن فسیلی در جو به پایان می رسد. مسئله این است که ساخت هیدروژن، متان و آمونیاک از انرژی های تجدیدپذیر حداقل در حال حاضر هزینه بیشتری دارد، بنابراین انگیزه کمی برای سبز شدن وجود دارد، به خصوص در هنگام ساخت یک محصول کم ارزش مانند خوراک حیوانات – اگرچه کالیستا به من می گوید که به جای آن به دنبال استفاده از بیوگاز است.

تبدیل هوا به کربن به غذا

تخمیر گازی تنها روش تولید غذا از هوا نیست. برخی از محققان فکر می کنند راه بهتری وجود دارد. رمکو بوم از دانشگاه کپنهاگ در دانمارک می‌گوید: «هیدروژن به سختی در آب حل می‌شود، بنابراین کنترل میکروارگانیسم‌ها بسیار دشوار است.

بوم می گوید که این رشد را محدود می کند. متان فقط کمی محلول تر است. جایگزین این است که CO2 را به ترکیبات کربنی ساده تبدیل کنیم که بسیار محلول هستند، مانند استات. برای تولید استات انرژی بیشتری نسبت به ساخت هیدروژن نیاز است، اما ایده این است که با رشد سریع تر جبران می شود.

بوم بخشی از کنسرسیوم استات است، پروژه ای که قبلا نشان داده است که می توان برخی از میکروب ها را روی استات رشد داد. او می‌گوید: «در اصل، ما می‌توانیم به مقیاس‌های بسیار بزرگ برویم. بنابراین، می‌تواند منبع مهمی از پروتئین در سراسر جهان باشد و این بدان معناست که ما می‌توانیم این نوع تولید غذا را از استفاده از زمین جدا کنیم.»

او می گوید، چالش این است که آنچه از بیوراکتورها بیرون می آید به غذاهای جذاب تبدیل شود. دو مسیر وسیع وجود دارد. یکی این است که از میکروب ها به عنوان یک ماده غذایی با حداقل پردازش استفاده کنید، همانطور که سولار فودز انجام می دهد. در اینجا، کنسرسیوم استات روی میکروب هایی که قبلا برای استفاده در مواد غذایی تأیید شده اند، مانند مخمر، تمرکز کرده است، بنابراین از روند اغلب آهسته تأیید غذاهای جدید جلوگیری می کند. (سولار فودز پنج سال منتظر تایید در اتحادیه اروپا بوده است.)

مورد دیگر استفاده از میکروب های اصلاح شده ژنتیکی برای تولید پروتئین های خاص، مانند پروتئین های کازئین موجود در پنیر است. بوم می‌گوید خالص‌سازی پروتئین‌ها بسیار گران‌تر از استفاده از سلول‌های کامل است، بنابراین این روش فقط برای محصولات با ارزش بالا مناسب است.

او می‌گوید دلیلی وجود ندارد که از میکروب‌ها برای تولید کربوهیدرات نیز استفاده نشود. با این حال، ما انتظار کمبود کربوهیدرات نداریم، در حالی که انتظار کمبود پروتئین را داریم.

بنابراین، وقتی صحبت از غذاهای میکروبی می شود، پیشرفت های زیادی در حال حاضر انجام شده است. سوال بزرگ این است که آیا مصرف کنندگان آنها را در آغوش خواهند گرفت. حتی اگر چنین کنند، مردم نمی خواهند تنها با میکروب ها زندگی کنند.

جایگزینی نور خورشید با برق

یک سیستم نمونه اولیه برای کشاورزی الکتریکی

این جایی است که electro-ag می تواند وارد شود. ایده این است که گیاهان را به جای نور خورشید بر روی استات رشد دهیم.

در سال 2022، تیمی از جمله رابرت جینکرسون در دانشگاه کالیفرنیا، ریورساید، استات را از CO2 از طریق الکترولیز ساختند و از استات برای رشد مخمر، قارچ و جلبک استفاده کردند. این تیم محاسبه کرد که تبدیل نور خورشید به استات و سپس به مخمر تقریبا 18 برابر کارآمدتر از کشاورزی استاندارد بود. برای جلبک ها، تقریبا چهار برابر کارآمدتر بود. اینها جهش های کاملا عظیمی در کارایی هستند.

این تیم در نظر دارد محصولات زراعی را در ساختمان هایی که با پنل های خورشیدی پوشانده شده اند، رشد دهند. الکتریسیته تولید شده برای تولید استات در محل مورد استفاده قرار می گیرد که در تاریکی زیر گیاهان از طریق ریشه آنها تامین می شود. جینکرسون و همکارانش در یک مقاله بعدی در سال 2024 تخمین زدند که با پیشرفت های تکنولوژیکی، کارایی تولید گیاهی را می توان ده برابر افزایش داد.

اگر s0 باشد، می‌توانیم حدود 10 برابر بیشتر غذا در هر سطح زمین رشد دهیم و بخش‌های عظیمی را برای بازگرداندن آزاد کنیم. پرورش غذا به این روش همچنین به جلوگیری از شوک های غذایی ناشی از آب و هوای شدید کمک می کند و اجازه می دهد غذا در هر جایی تولید شود. علاوه بر این، رشد غذا در سیستم‌های بسته می‌تواند تا حد زیادی از شیوع آفات و بیماری‌ها جلوگیری کند، که به طور گسترده‌ای عملکرد را در سراسر جهان کاهش می‌دهد.

همه اینها عالی به نظر می رسد، اما، البته، آنقدرها هم ساده نیست. اولین مانع این است که گیاهان را نمی توان به سادگی با استات تغذیه کرد - استفاده موثر از آن مستلزم یک مسیر شیمیایی فعال فقط در نهال ها است. تیم جینکرسون اکنون در حال اصلاح ژنتیکی گیاهان برای انجام این کار هستند و یک شرکت اسپین‌آوت به نام Nolux راه‌اندازی شده است.

هیچ دلیل اساسی وجود ندارد که فکر کنیم این کار نمی تواند انجام شود. از این گذشته، برخی از گیاهان از قبل در تاریکی رشد می کنند - بسیاری از گیاهان انگلی کاملا به مواد مغذی دزدیده شده از گیاهان دیگر متکی هستند. گیاهان همچنین انرژی زیادی را به ساختارهای در حال رشدی مانند ساقه ها و برگ هایی که ما اغلب نمی خوریم می گذارند. بنابراین، در حالت ایده آل، ما همچنین این گیاهان را اصلاح می کنیم تا از شر ساختارهای اضافی خلاص شویم. باز هم گیاهان انگلی مانند رافلزیا با گل غول پیکر که ریشه و برگ ندارد نشان می دهد که چه چیزی ممکن است.

راه دیگر رشد سلول‌های گیاهی بر روی استات است، نه کل گیاهان یا میکروب‌ها. تعدادی از شرکت ها در حال حاضر روی تولید غذا با رشد سلول های گیاهی در خمره ها کار می کنند. به عنوان مثال، سال گذشته من در مورد تلاش هایی برای تهیه شکلات به این روش گزارش دادم. منم چندتاشو امتحان کردم خیلی خوب بود

در حال حاضر، این سلول‌ها در محیط‌های کشت حاوی موادی مانند قندهای مشتق‌شده از غذاهای معمولی رشد می‌کنند، بنابراین هنوز ردپای محیطی قابل توجهی دارند. استخراج محیط کشت به طور کامل از انرژی های تجدیدپذیر این را تغییر می دهد. به نظر من می توان مجموعه عظیمی از غذاها را با این روش درست کرد، از آرد گرفته تا گواکامول.

گزینه دیگر قطع کامل سلول های زنده است. یک استارت‌آپ آمریکایی به نام Savor در حال تبدیل گاز سنتز – ترکیبی از سوخت‌های فسیلی از هیدروژن و مونوکسید کربن – به چربی‌های خوراکی برای تولید محصولی شبیه کره است. هیدروژن و مونوکسید کربن را می‌توان با برق تجدیدپذیر تولید کرد.

"کره" Savor's ساخته شده از چربی گیاهی مصنوعی مشتق شده از کربن

همه این رویکردهای مختلف ممکن است نقشی داشته باشند. بوم می گوید: «ما احتمالا به یک مسیر خاص تکیه نخواهیم کرد.

هیچ کس انتظار ندارد به این زودی غذای ساخته شده از هوا و برق جایگزین محصولات معمولی و مزارع دام شود، به ویژه به این دلیل که نیاز به برق تجدیدپذیر بیشتری نسبت به تولید فعلی ما دارد. اما اگر بتوانیم نسبت مناسبی از مواد غذایی را در دهه‌های آینده به این روش تولید کنیم، تفاوت بزرگی ایجاد می‌کند و به محدود کردن گرمایش جهانی، محافظت از حیات وحش و تغذیه جهان کمک می‌کند.

به همین دلیل است که دولت ها باید برای تشویق غذاهای خورشیدی، از تامین مالی تحقیقات گرفته تا کاهش موانع نظارتی و کمک به رقابتی شدن این غذاها از نظر هزینه، بیشتر تلاش کنند. به عنوان یک فرد، همه ما می توانیم با خرید غذاهای خورشیدی کمک کنیم. شاید وقتی مردم گرد هم می آیند تا صد و چهلمین سالگرد نیوساینتیست را جشن بگیرند، هر چیزی که می خورند و می نوشند از هوای رقیق سرچشمه گرفته باشد.