大草原で少し独立したエネルギー実験| 科学| スミソニアン - 記事、科学、私たちの惑星

ミネソタの大草原の真ん中には、2300人強の町であるマデリアがあります。マデリアは、何マイルも続く茶色い土に四方を囲まれ、きちんと並んでいます。飛行機でそこに飛んだ場合、マデリアはパッチワークキルトの真ん中に縫い付けられたボタンのように見えます。各農場は正方形と円の形をしたフィールドに分割され、淡黄色の砂利道と明るい緑の草の狭いストリップに囲まれています小川や排水溝と並んで成長します。

マデリアなどの町の住民がエネルギーの未来について考えるとき、彼らが思いつく解決策は、当然のことながら土地とそれが成長できるものに集中しています。ただし、Madeliaでは、これらのソリューションは、予想とは少し異なって見えます。マデリアンがエネルギーの未来を想像するとき、彼らは大規模なエタノール精製所が点在する草原を見ません。そこでは、何百人もの農民によって栽培されたトウモロコシが全米で販売される燃料に加工されます。代わりに、彼らはもっとローカルな何かを考えています。マデリアは、地元の市場向けに地元の材料から作られた燃料を生産するという大きな計画を持つ小さな町です。草原の土壌で簡単に生える草から、残りのくちばしや近くのチキン缶詰工場のかけらまで、町の半径25マイル以内で育てることができるものはすべて公平なゲームです。

一般的にリスクを嫌う多くの農家が住む一般的に保守的な町が、代替エネルギーの最先端にかなりの時間とお金をかけることを望むのはなぜですか？私がマデリアに旅行したとき、私は町自体に到達する前に理由に真っ向から突き当たりました。私の啓発の瞬間は、車で溝に車を運転する間近になったとき、ハイウェイ60の狭いブラックトップで、街の境界から数マイル離れた場所で起こりました。

風は日中はにわか雨でいっぱいでしたが、午後には積極的に激怒しましたが、高速道路に面した空の野原は風を遅くするものを何も提供しませんでした。これだけでは大きな問題にはなりませんでした。私はカンザス州で育ち、暴風の中を車を操縦する方法を知っています。問題は、私が目の前で見ることができるもの、あるいは、私が見ることができないものでした。どこからともなく、灰色の雲が立ち上がって高速道路上をホバリングし、セミトラックを飲み込み、それらを分解してテールライトのセットにしました。霧の中に飛び込む前に霧を見ていなかったことに気付くのに十分な時間はありませんでした。

太陽が消えました。車の窓に砂利が飛び込んだ。人為的に点灯していないものは何も見えませんでした。パニックに陥ったときは、砂利のもやの向こう側を走り去り、通常の風の強い春の日に戻って、ヘッドランプを点灯しました。「雲」は土でできていて、1マイルほど道路を上って、もう1つの灰色のリボンが地平線を横切って伸びていました。マデリアの出口に着く前に、これらの塵雲の3つまたは4つを通過しました。

町でさえ、ほこりは簡単には消えませんでした。私は車をダウンタウンの映画館のオーニングのproの下に駐車し、空中に飛び出してテクスチャーをつけたので、ほとんどかじることができました。ほこりの斑点が私の日焼け止めにくっつきました。口を開けると、砂が入った。

私はマデリアに旅行に行って、マデリアモデルの原動力となったリンダメシュケと会いました。そして、若い記者のきちんとしたビジネスカジュアルの服を着て、私はその機会に服を着て家を出ました。それらのほこりの雲は私を釘で打ち倒した。マデリアのダウンタウンを2ブロック歩くと、肌がピンク色に変わり、髪の毛が汚れの層の下に接着された赤い渦巻きになりました。 Meschkeは私の残念な状態を気にしていないようでした。代わりに、彼女はゆっくりうなずき、「今日は少し風が強い」と言った。

その時点で、私は自分が見たものをまだよく理解していませんでした。このような塵雲は土壌侵食に関連していることは知っていましたが、髪の塵とマデリアモデルの目標との間の点を結ぶことができたのはMeschkeと話をするまでではありませんでした。

私の研究の早い段階で、人々はMeschkeの脳を最初に記述する傾向があることがわかりました。「彼女は本当に彼女のものを知っている」と彼らは私に言った。「彼女はとても、とても頭がいい女性です。」彼らは、彼女が自然の力であるかのように、彼女に少しa敬の念を抱き、少し脅迫されているように見えました。以前だった。中古のアカウントから、私は大きな、ブラッシーな女性のデルタバークに会うと思っていました。代わりに、メシュケは、彼女が25年間在籍していた古き良き農家の静かで魅力的な態度を持つことが判明しました。彼女は短い茶色の髪でヘビーセットで、トロピカル柄のボタンアップシャツは彼女にとって最も騒々しいものでしたが、問題の仕事が何であれ、彼女は本当に仕事を成し遂げる方法を知っています。元郡の農業検査官であった彼女は、1988年に農村の水質問題に関与しました。10年以内に、彼女はマデリア周辺の郡が水保護の仕事をする方法を完全に刷新しました。メシュケ以前、郡の水プログラムは、同じ流域を共有していても、すべて互いに非常に分かれていました。彼女は、ミネソタ州で最も汚い水路の1つであるブルーアースリバーシステムを単一のユニットとして処理するプログラムを立ち上げ、アイデアと資金が郡を横断するのを支援しました。全体像のアプローチにより、2001年までに汚染が9％削減されました。

Meschkeの声のリズムはそそりましたが、彼女の手は落ち着きがありませんでした。彼女は、公共事業のプロジェクトを達成するための小さな、意図的な詳細、つまり官僚制度が基本的に発明された退屈なものを扱いました。しかし、彼女は、古いやり方を捨てて、新しいアイデアにリスクを冒すことについて、とりとめのない言葉で話しました。 Meschkeの性格のこの部分が、彼女が数十年にわたって戦ってきた水質の問題と、土壌浸食の脅威の両方に対する小規模な地域エネルギーを解決策と見なすようになったのです。マデリアへの旅行を悩ませました。 Meschkeは、地元のエネルギーがこれらの問題の両方を解決できると考えました。なぜなら、それは農家にトウモロコシ以外のものを栽培するための報酬を得る機会を与えることができるからです。

間違いなく、マデリアモデルはバイオ燃料に関するものですが、エタノールに関するものではありません。国のこの地域ではトウモロコシの必要量が減り、それ以上ではない、とMeschkeは言った。現在、トウモロコシと、それよりも程度は低いが、大豆だけが栽培されている唯一の作物です。トウモロコシはミネソタ州南部、ネブラスカ州、インディアナ州、イリノイ州の一部、アイオワ州のほぼすべての利用可能な農地の45％以上を占めています。これらの同じ地域では、郡によって異なりますが、大豆は農地の15パーセントから45パーセントを超えてチョークになります。

外部から見ると、このシステムは少し非論理的に見えるかもしれませんが、単に特殊化されています。さまざまな衣類製品でいっぱいのクローゼットではなく、靴だけを作る工場と違いはありません。 20よりも2つの作物のエキスパートになる方が簡単で、少ない投資でより多くの作物を育てることができます。また、率直に言って、トウモロコシと大豆は報われます。ブロッコリーに匹敵しない植物には、大きな産業需要があります。需要が落ちた場合、農民が少なくとも一定の価格で作物を作ることを保証するための十分な補助金もあり、政府の資金は市場の低迷を補います。

欠点は、これらの2つの作物、特にトウモロコシは、農民の銀行口座ほど土壌や水質に優れていません。トウモロコシは貪欲な植物で、成長するには驚くほどの注意が必要です。主に、トウモロコシは肥料とそれをたくさん必要とします。 2007年、米国のトウモロコシ農家は500万トン以上の窒素肥料を使用しました。それでも、トウモロコシは植物性食品に対する大きな食欲を持っているかもしれませんが、スパゲッティのボウルを持った幼児と同じくらい効率的に「食べる」ことができます。あなたは子供が食べるのと同じくらい多くの食べ物を着ることになり、トウモロコシ畑は与えられた肥料の半分しか使わないことが多いことを知っています。残りの部分は、雨や灌漑によって近くの小川に流れ落ちるまで土の上にあります。

トウモロコシはきちんとした小さな列で成長し、きちんとした小さな根系が下に隠れています。 5月下旬には、トウモロコシ畑はまだ汚れの海であり、平均的なバジルの束よりも大きくない緑の芽で斑点があります。風が吹き始めたとき、その表土はチャンスに耐えられません。 19世紀のトウモロコシ栽培の夜明け以来、アイオワの垂直方向の約8インチが行方不明になっています。表土で成長できるもので生計を立てている人々にとって、これは非常に悪いことです。中西部の農民にとっての長期的な職業上の危険は、自分の皮膚、髪、歯から貴重な表土の粒子を拾うときよりも明確ではありません。私がマデリアに向かう途中で追い払ったダストストームは、トウモロコシ栽培の産物でした。私の車は、米国農業の失われた未来に固まりました。

メシュケは、アメリカの草原の農地を救う鍵、第三作物を見つけたと思った。それは基本的に、トウモロコシでも大豆でもないものに対する彼女の用語でした。ネイティブで多年生の場合は追加のクレジットがありました。彼女のアイデアはユニークではありませんでした。一部の農家は、トウモロコシを最初に、次に大豆を、次にアルファルファまたは干し草を3番目に畑で回転させることで、サードクロップシステムを使用しています。これは、土壌を健康に保ち、肥料の必要性を減らします。それでも、Meschkeはこれをさらに進めたいと考えていました。最初に、彼女はより多様な第三作物の植え付けを促進しました。ある地域で多くの異なる植物が栽培されると、種固有の害虫に対するクラブメッドではなくなります。つまり、農家が高価な農薬を購入する必要性が減ります。メシュケはまた、輪作スケジュールだけでなく、農民が第三作物をある土地にフルタイムで配置することを望んでいました。重度の栄養素不足の土地、傾斜した土地、または表土がゆるい土地、および小川や排水溝のそばにある土地はすべて、多年生植物の密集した水と土壌を保持する根系の恩恵を受ける可能性があります。

Meschkeにとっての問題は、農民が実際に栽培したいと思うほど十分に第三作物を収益性の高いものにする方法でした。ミネソタ州の草原に自生する多年草は、ほとんどの場合、さまざまな種類の背の高い草で、肥料や灌漑をあまり必要としないので、育てるのにかなり安く、環境にやさしいですが、あまり価値がありません。これは、水質と土壌の健康に対するMeschkeの関心が、地元のエネルギーに対する彼女の関心に結びついた場所でした。表土を保護するため、または汚染された小川をきれいにするために、第三作物の栽培で稼ぐお金は本当にありません。一方、大規模なバイオ燃料の生産（これは現在トウモロコシエタノールを意味します）は、これらの生態学的問題に追加されるだけです。在来種の草を育て、それらを燃料に変えることができます。この技術はすでに存在しています。実際、仕事をする多くの異なる方法があります。問題は、これまでのところ、これらの方法のいずれも大規模に経済的に実行可能にすることができなかったことです。これは、中西部の大企業が全国で使用するバレルと燃料のバレルを生産できるシステムです。ほとんどの人にとって、それはコーンレスのバイオ燃料が現実の世界にまだ準備ができていないことを意味します。一方、リンダ・メシュケは同じ問題を見て、「なぜフロリダに十分なエネルギーがあるかをマデリアの人々が心配する必要があるのか」と尋ねました。

農民に第三作物の代金を支払い、非農民に仕事を作り、ミネソタ州のこの小さな地域内で販売するのに十分な燃料を生産できる小さな製油所は、このトリックを行うだろうとメシュケは考えた。特にガソリン価格が上昇し続けた場合。それが実行可能でなかった場合、彼女は言った、あなたはまだ小さくすることができます。自分で使用するための燃料を作る機会、つまりお金を稼ぐのではなく、お金を節約する機会でさえ、少なくとも数人の農民が第三作物を栽培するのに十分かもしれません。 Meschkeは、草原草のバイオ燃料が機能していると思われる規模であり、現在、Madeliaモデルを実行する最適な機会を提供しているため、地域のエネルギーをサポートしています。

しかし、それはリスクフリーではありません。マデリアを取り囲む農場は大きく、商品中心であり、ブティックキャベツの本拠地ではありません。しかし、それは彼らが企業のモノリスであることを意味しません。これらの農場は、何世代にもわたってこの地域に住んでいた家族によって所有されています。確かに、彼らはトウモロコシだけを育てるかもしれません。数十年にわたって、彼らは小規模な農場のより人口の多いパッチワークを収容するために使用された面積を吸収したかもしれませんが、農業は依然として家族経営であり、その点で非常にリスクを嫌う家族経営です。 Meschkeによれば、草原草などの多年生の第3作物を樹立し、最初の収穫の準備が整うまでには3〜4年かかります。草の市場が実現しなかった場合、農家には非常にきれいな畑と大きな負債が残されます。

一方、マデリアモデルがすべての人々の夢を超えて成功した場合（マデリアとその周辺地域が燃料で自給自足になった場合）、ここに住んでいた人々の生活が劇的に変わります。成功は地元の農業を変えるでしょう。異なるニーズと異なる成長サイクルを持つ新しい作物の栽培を開始するという経済的圧力があるでしょう。成功はマデリアの生活を変えるでしょう。新しい仕事、新しいビジネス、そしてより多くの消費者の選択があるでしょう。また、マデリアはより賑やかな町であり、新しい居住者は少し良くなるかもしれません。カウパイのような変化が起こります。ここでどのように起こったかは、平均的なマデリア人が彼らのコミュニティの未来を形作ることに関与したかどうかに大きく依存するでしょう。問題に関する彼らの沈黙は耳をつんざくものです。

毎週金曜日の午後3時に、Meschkeが私に言った、市はマデリアモデルの計画者と一般の人々を結びつけるために開かれた会議を開く。それは高貴な計画であり、ほとんどが理論的です。会議は行われますが、たった十数人しか現れません。

インタビューの中で、Meschkeは市民の関与が少ないことについて無関心に語りました。彼女は驚かなかった。彼女は心配しなかった。彼女はマデリアモデルの原動力ではないため、本質的に興味を持っているという印象を受けました。Meschkeも会議をスキップしている可能性があります。魅惑的な自信のすべてのために、彼女は草の根がどのように成長するかについて幻想を抱かなかった。彼女によると、ほとんどの人は日々の生活で忙しかった。彼らは興味を持ちましたが、マデリアモデルが最終的に興味のある具体的なものを与えたときだけでした。「今、私たちは何を提供しなければなりませんか」と彼女は言いました。

彼女の主張が見えた。私が知っている農民はめったに/おそらく/いつかよく反応しませんでした。準備ができたら何かをしてセールスピッチを提供するか、何もせずに黙ってしまいます。（ヨーダは偉大な農民を作ったでしょう。）「合唱団がサインオンしました」とメシュケは語った。「そして、次に何が起こるかを見るために、暫定的な会衆を見守っています。」

この過去の秋、マデリアンはついに何らかの行動を見ました。皮肉なことに、彼らの最初の未来の姿は、過去のようにひどく見えた。ミネソタ大学の研究者は、セントポールからマデリア周辺の農地までピックアップトラックを運転しました。その後ろに、小さなキャンピングカーほど大きくないトレーラーで、彼らはあらゆる種類の植物や動物の材料を燃料に変えることができるシステムを牽引しました。この技術は新しいものでしたが、その背後にある概念は1世紀以上前のものです。

19世紀から、脱穀機は収穫期に農場から農場へと移動しました。穀物を茎から分離するための機械システムは高価すぎて、シアーズのカタログから自分で選ぶことができなかったため、脱穀機は持ち運び可能なビジネスでした。たぶん、1人の男が自分の仕事として機械を所有して操作したか、複数の農民が全員が共有した装置に一緒に参加したかもしれません。いずれにせよ、農家は生の作物をより価値のあるものに変えるためにお金を払った。ミネソタ大学の携帯型バイオ燃料システムをマデリアに持ち込みたい研究者は、その歴史を繰り返したいと考えています。マイクロ波熱分解と呼ばれる彼らの技術は、マデリアの地域エネルギー生産の最初の試みとなるでしょう。

このシステムはシンプルでありながらも賢いものです。熱分解とは、植物やその他の物質を、使用可能な商用エネルギーにより適した形に分解することです。草、茎、肥料など、あらゆる種類の有機物が入ります。そのようなものは、酸素のない環境で華氏950度近くまで加熱され、大量の揮発性ガスを放出します。ガスを圧縮すると、液体燃料が得られます。バイオマスを加熱する方法はいくつかありますが、大学のシステムは、ポップコーンや残りのピザを調理するのに使用するのと同じ技術の強力なバージョンであるマイクロ波に依存しているため、特別です。

すでに実証済みの技術であるため、便利な方法です。使いやすく、構築も安価です。マイクロ波はまた、バイオ燃料生産プロセス全体を簡素化します。通常、バイオマスを燃料に変える前に、すべてのビットを同時に均等に加熱できるように、バイオマスを細かく粉砕する必要がありますが、マイクロ波は固体の中心をうまく加熱します。

さらに、送料で節約できるお金があります。バイオマスの移動はあまり効率的ではありません。有機材料は一般にかさばり、あまりエネルギー密度が高くありません。大草原の草を大量に輸送するには、大量の石油を輸送するのと同じくらいのエネルギーと費用が必要ですが、石油からより多くのエネルギーを得ることができます。ミネソタ大学は、軽量で小型のキャンピングカートレーラーのサイズにまで縮小できる加熱技術であるマイクロ波を使用することで、熱分解を携帯可能にし、燃料工場を農場に持ち込む方法を見つけました。そこで、各農家は熱分解機を積み込み、現場でいくつかの異なる製品を生産できます。ラボでのバッチプロセステストの実行には、わずか15分しかかかりませんでした。

農民が出すものは有用なものです。燃料は、マイクロ波熱分解の主な製品です。大学のシステムは十分な可燃性ガスを生成するため、いったん起動すると、それ自体に電力を供給できます。しかし、一般的に、あなたが作っているのはバイオガスと呼ばれる液体です。そのまま使用できますが、すぐに使用できますが、最良の結果を得るには、少し掃除が必要です。どのエンジンも新鮮なバイオガスで作動しますが、時間が経つと酸性燃料がエンジンを引き裂きます。大学の研究者たちは、バイオガスを自動車に適合させる方法の開発に取り組んでいますが、当面は、家庭用暖房油の代わりに使用したり、工業用石油の代替品として販売したりできます。

マイクロ波熱分解機の落下試験で、ミシガン大学の研究者は合成ガス駆動の発電機に問題を発見しましたが、今年の夏にマデリアに戻って新しい発電機でシステムを再度テストします。

システムから出る重要な製品はバイオガスだけではありません。生産ラインの先頭に戻ると、別の出力が見つかります。これは、大気中のCO2の量を減らすことができ、植物の成長も促進できる可能性があります。バイオマスがマイクロ波で加熱されると、燃料にならない部分が炭に似たものに変わります。バイオチャーと呼ばれる、標準的なバーベキュー練炭とは少し異なります。熱分解が起こる無酸素環境のおかげです。

バイオチャーは、炭素の最大のセキュリティ刑務所として機能します。炭も炭素を捕捉できますが、効果的ではありません。炭は、多くの酸素分子に結合した炭素で化学的に構成されていますが、主に灰であり、その炭素のほとんどが燃焼により失われています。斬撃映画の女子学生のように、酸素はバクテリアによって簡単に除去され、分解のプロセスを加速し、化学結合を破壊し、残っている炭素を大気中に戻します。

ただし、酸素を差し引くと、炭素分子は強くなります。それらは容易に粉砕せず、微生物の攻撃に対してより耐性のあるリング構造を形成します。ラボの調査によると、これらの債券は何百年から何十万年もの間持続する可能性があります。それは大気中の炭素が少ないことを意味します。また、カーボンニュートラルまたはカーボンネガティブバイオ燃料の生産を見たい人にとっても朗報です。もちろん、それは試験管内にあります。（文字通りの）分野で行われているバイオ炭の研究は多くありません。また、現実世界の研究はあまり長く行われていません。

そのため、多くの指を交差させたにもかかわらず、バイオチャーが炭素トラップを作るのと同じくらい良い肥料になるかどうかはまだわかりません。重要な質問「バイオチャーを注入した土壌は、より多くの作物を生産し、土壌の肥沃度を向上させますか？」は、まだ広く開かれています。しかし、これらのラボテストでは、興味をそそるいくつかのデータが出ています。バイオ炭はスローモーションに微生物を乗せることで、土壌中の窒素をトラップする働きもするようです。それは大気中の亜酸化窒素（別の温室効果ガス）が少ないことを意味するだけでなく、地面に施される窒素肥料が少なくなり、給水に浸出する過剰な窒素が少なくなることも意味します。

これは一言で言えばマデリアモデルです。農民に、トウモロコシよりも土地と水の供給に適した植物を栽培する理由を与え、その恩恵を享受します。ゴープレーリーグラスでは、燃料、肥料、経済発展があります。国全体または州全体に供給するのに十分な燃料と肥料ではありませんが、それでかまいません。それをする必要はありません。第一の目標は、バイオオイル生産のミニ帝国を作ることではなく、地元の表土が吹き飛ばされるのを防ぐことです。 Madeliaモデルは、ローカルスケールでのみ機能する必要があります。

ジョン・ワイリー・アンド・サンズ社が2012年4月に公開した「光が消える前にエネルギー危機を克服する ：征服する前にエネルギー危機を克服する」より抜粋。