Flygindustrin står för 2 procent av de globala mänskliga inducerade koldioxidutsläppen. Denna andel kan tyckas relativt liten – för perspektiv, elproduktion och hemuppvärmning står för mer än 40 procent – ​​men flyget är en av världens snabbast växande växthusgaskällor. Efterfrågan på flygresor förväntas fördubblas under de kommande 20 åren.

Flygbolagen är under press att minska sina koldioxidutsläpp, och är mycket sårbara för globala oljeprisfluktuationer. Dessa utmaningar har väckt ett stort intresse för jetbränslen från biomassa. Biojetbränsle kan framställas av olika växtmaterial, inklusive oljegrödor, sockergrödor, stärkelsehaltiga växter och lignocellulosabiomassa, genom olika kemiska och biologiska vägar. Dock, Teknikerna för att omvandla olja till flygbränsle befinner sig i ett mer avancerat utvecklingsstadium och ger högre energieffektivitet än andra källor.

Vi tillverkar sockerrör, den mest produktiva växten i världen, att producera olja som kan omvandlas till biojetbränsle. I en nyligen genomförd studie, vi fann att användningen av denna konstruerade sockerrör kunde ge mer än 2, 500 liter biojetbränsle per hektar mark. I enkla termer, det betyder att en Boeing 747 skulle kunna flyga i 10 timmar på biojetbränsle producerat på bara 54 tunnland land. Jämfört med två konkurrerande växtkällor, sojabönor och jatropha, lipidcane skulle producera cirka 15 och 13 gånger så mycket flygbränsle per landenhet, respektive.

Skapar sockerrör med dubbla ändamål

Biojetbränslen som härrör från oljerika råvaror, som camelina och alger, har framgångsrikt testats i proof of concept-flygningar. American Society for Testing and Materials har godkänt en 50:50-blandning av petroleumbaserat jetbränsle och hydrobearbetat förnybart jetbränsle för kommersiella och militära flygningar.

Dock, även efter betydande forsknings- och kommersialiseringsinsatser, nuvarande produktionsvolymer av biojetbränsle är mycket små. Att göra dessa produkter i större skala kommer att kräva ytterligare tekniska förbättringar och rikliga lågkostnadsråvaror (grödor som används för att tillverka bränslet).

Sockerrör är en välkänd biobränslekälla:Brasilien har jäst sockerrörsjuice för att göra alkoholbaserat bränsle i decennier. Etanol från sockerrör ger 25 procent mer energi än den mängd som används under produktionsprocessen, och minskar utsläppen av växthusgaser med 12 procent jämfört med fossila bränslen.

Vi undrade om vi kunde öka anläggningens naturliga oljeproduktion och använda oljan för att producera biodiesel, vilket ger ännu större miljövinster. Biodiesel ger 93 procent mer energi än vad som krävs för att tillverka det och minskar utsläppen med 41 procent jämfört med fossila bränslen. Etanol och biodiesel kan båda användas i biojetbränsle, men tekniken för att omvandla växtbaserad olja till flygbränsle befinner sig i ett långt framskridet utvecklingsstadium, ger hög energieffektivitet och är redo för storskalig användning.

När vi först föreslog att konstruera sockerrör för att producera mer olja, några av våra kollegor tyckte att vi var galna. Sockerrörsplantor innehåller bara 0,05 procent olja, vilket är alldeles för lite för att konvertera till biodiesel. Många växtforskare teoretiserade att en ökning av mängden olja till 1 procent skulle vara giftigt för växten, men våra datormodeller förutspådde att vi kunde öka oljeproduktionen till 20 procent.

Med stöd från Department of Energy's Advanced Research Projects Agency-Energy, vi lanserade ett forskningsprojekt som heter Plants Engineered to Replace Oil in Sugarcane and Sorghum, eller PETROSS, 2012. Sedan dess har genom genteknik har vi ökat produktionen av olja och fettsyror för att uppnå 12 procent olja i bladen på sockerrör.

Nu arbetar vi för att uppnå 20 procent olja – den teoretiska gränsen, enligt våra datormodeller – och riktar denna oljeackumulering till växtstammen, där den är mer tillgänglig än i löven. Vår preliminära forskning har visat att även när de tekniska anläggningarna producerar mer olja, de fortsätter att producera socker. Vi kallar dessa konstruerade växter för lipidcane.

Flera produkter från lipidcane

Lipidcane erbjuder många fördelar för jordbrukare och miljön. Vi beräknar att odling av lipidcan som innehåller 20 procent olja skulle vara fem gånger mer lönsamt per hektar än sojabönor, den huvudsakliga råvaran som för närvarande används för att tillverka biodiesel i USA, och dubbelt så lönsamt per tunnland som majs.

För att vara hållbar, biojetbränsle måste också vara ekonomiskt att bearbeta och ha högt produktionsutbyte som minimerar användningen av åkermark. Vi uppskattar att jämfört med sojabönor, lipidcane som innehåller 5 procent olja skulle kunna producera fyra gånger mer flygbränsle per hektar mark. Lipidcane med 20 procent olja skulle kunna producera mer än 15 gånger mer flygbränsle per hektar.

Och lipidcane erbjuder andra energifördelar. Växtdelarna som blir över efter juiceextraktion, känd som bagasse, kan brännas för att producera ånga och elektricitet. Enligt vår analys, detta skulle generera mer än tillräckligt med el för att driva bioraffinaderiet, så att överskottskraft kunde säljas tillbaka till nätet, ersätta el producerad från fossila bränslen – en praxis som redan används i vissa anläggningar i Brasilien för att producera etanol från sockerrör.

En potentiell amerikansk bioenergiskörd

Sockerrör trivs på marginell mark som inte lämpar sig för många livsmedelsgrödor. För närvarande odlas den främst i Brasilien, Indien och Kina. Vi konstruerar också lipidcane för att vara mer köldtolerant så att den kan odlas mer allmänt, särskilt i sydöstra USA på underutnyttjad mark.

Om vi ​​ägnade 23 miljoner hektar i sydöstra USA till lipidcane med 20 procent olja, vi uppskattar att denna gröda skulle kunna producera 65 procent av USA:s flygbränsletillförsel. Nuvarande, i nuvarande dollar, att bränslet skulle kosta flygbolagen 5,31 USD per gallon, som är mindre än biojetbränsle framställt av alger eller andra oljegrödor som sojabönor, raps eller palmolja.

Lipidcane kan också odlas i Brasilien och andra tropiska områden. Som vi nyligen rapporterade i Nature Climate Change, en avsevärd utvidgning av sockerrörs- eller lipidkanproduktionen i Brasilien kan minska de nuvarande globala koldioxidutsläppen med upp till 5,6 procent. Detta skulle kunna åstadkommas utan att påverka områden som den brasilianska regeringen har utsett som miljökänsliga, som regnskog.

I jakten på "energycane"

Vår forskning om lipidkaner inkluderar också att genmanipulera växten för att få den att fotosyntetisera mer effektivt, vilket leder till mer tillväxt. I en artikel från 2016 i Science, en av oss (Stephen Long) och kollegor vid andra institutioner visade att en förbättring av effektiviteten av fotosyntes i lipidkan ökade dess tillväxt med 20 procent. Preliminär forskning och sida vid sida fältförsök tyder på att vi har förbättrat sockerrörens fotosyntetiska effektivitet med 20 procent, och med nästan 70 procent i svala förhållanden.

Nu börjar vårt team arbetet med att konstruera en sort av sockerrör med högre avkastning som vi kallar "energirör" för att uppnå mer oljeproduktion per hektar. Vi har mer mark att täcka innan det kan kommersialiseras, men att utveckla en livskraftig anläggning med tillräckligt med olja för att ekonomiskt producera biodiesel och biojetbränsle är ett stort första steg.

Denna artikel publicerades ursprungligen på The Conversation. Läs originalartikeln.