Föreställ dig det här:Ute i det öppna havet, rader av odlad kelp som spänner över ett område ungefär lika stort som Mexiko. När den väl skördats och bearbetats, denna snabbväxande tång skulle förvandlas till ett bränsle som du kan pumpa in i din bil. Du behöver inte längre förlita dig på fossila bränslen som tar miljontals år att bilda – och vars utsläpp till atmosfären är den största bidragsgivaren till jordens stigande temperaturer.

Massor av vetenskapliga bevis, inklusive en färsk rapport från FN:s mellanstatliga panel om klimatförändringar – en ickepolitisk bedömning av 91 forskare från 40 länder – målar upp en skarp bild för ekonomin, hälsa och miljö om aggressiva steg för att regera i den globala uppvärmningen inte vidtas under det kommande decenniet.

För att anta utmaningen, USC Dornsife-forskare har testat kreativa lösningar, från biobränsle från kelp till helt nya energiekonomier till omdesign av avfall. Dessa lösningar kan vara både entreprenöriella och lönsamma, skapa innovativa affärsmodeller som kan driva på jobb och en sund ekonomi och samtidigt rädda planeten.

Växtkraft

Vid USC Wrigley Institute for Environmental Studies Marine Science Center på Santa Catalina Island utanför Los Angeles kust, forskare testar om kelp kan bli ett förnybart bränsle.

Varför kelp? Diane Kim, biträdande direktör för särskilda projekt vid institutet, är en del av teamet som leder biobränsleforskningen.

Hon säger att den vanliga jättetången som finns längs Kaliforniens kust är en av de snabbast växande organismerna på planeten. kräver ett minimum av naturresurser, den kan växa en till två fot per dag under idealiska förhållanden.

"Tare kallas ofta en "sequoia of the sea" eftersom den kan bli så massiv - upp till 100 till 150 fot lång, " sa hon. "Och dessa organismer börjar inte mycket större än en bakterie."

Att växa, kelp kräver solljus och näringsämnen. Båda finns det gott om i havet, men det finns ett problem.

"Ljuset är uppe nära ytan och näringsämnen finns djupare i vattenpelaren, " förklarar Kim. Längs Kaliforniens kust, uppvällning tar upp vattnet till ytan, varför så stora kelpskogar finns nära strandlinjen. Men så är det inte i det öppna havet, där kelp har potential att odlas i mycket större skala.

"Detta har potential att förändra energilandskapet som vi känner det, sa Kim.

Med finansiering från U.S. Department of Energy's Advanced Research Projects Agency on Energy, USC Wrigley Institute forskare, med hjälp av en industripartner, testar ett djup-cykling strategi med användning av en pilotskala systemet smeknamnet "kelp elevator" -a struktur i havet som flyttar kelp upp och ner, ta den till ytan för att absorbera solljus, sedan tillbaka ner till de näringsrika djupen.

Om det lyckas, detta system skulle kunna utgöra grunden för ett autonomt nätverk av flytande kelp gårdar som skulle kunna skalas upp för att producera den mängd kelp biomassa nödvändigt att göra makroalger biobränsle kostnaden konkurrenskraftig med fossilt bränsle.

Under det närmaste året eller så, laget, som inkluderar Kim, John Heidelberg, docent i biologiska vetenskaper och miljöstudier, David Ginsburg, docent (undervisning) i miljövetenskap, och många grund- och doktorander, kommer att testa olika djupcyklingsstrategier och olika arter av makroalger för optimal tillväxt.

När de kan visa kelptillväxt under dessa parametrar, deras branschpartner, Marin bioenergi, kommer att börja kommersialisera. Kemiingenjörer vid Department of Energy Pacific Northwest National Laboratory är förfina en process för att stänga av kelp till biobränsle i stor skala genom en process som kallas hydrotermisk kondense. Utgången, de förutser, kommer att vara nästan koldioxidneutral.

Preliminära beräkningar tyder på att om deras koncept fungerar, kelp biobränsle har potentialen att möta behoven hos allt amerikanskt transportbränsle.

"Detta har potential att förändra energilandskapet som vi känner det, sa Kim.

En ny energiekonomi

USC Wrigley Institutes kelpbiobränsleprojekt fortsätter ett arv av energiforskning vid USC Dornsife som sträcker sig decennier tillbaka.

Gå in på G. K. Surya Prakashs kontor, direktör för USC Dornsifes Loker Hydrocarbon Research Institute, och du kommer att hitta ledtrådar som en briljant och produktiv vetenskapsman bor inom.

En bokhylla kantad med läroböcker i organisk kemi från år som undervisade studenter i grunderna sträcker sig längs hans skrivbord, som är täckt av prydliga högar av vetenskapliga artiklar nästan 2 fot höga.

Och om man tittar noga, du hittar en rad nyfikna instrument som avslöjar hans livsverk:en plastpropeller i palmstorlek fäst vid en bränslecell som drivs på metanol; en tallrik stor spis, även drivs med metanol; och en liten glasflaska fylld med vad som ser ut som pulvertvättmedel.

Håller upp flaskan, Prakash, George A. och Judith A. Olah Nobelpristagare i kolvätekemi och professor i kemi vid USC Dornsife, förklarar att de anspråkslösa vita granulerna är en ny produkt som använder teknik som utvecklats vid institutet för att hjälpa stora byggnader att hantera sin luftkvalitet mer effektivt.

Partiklarna, tillverkad för kommersiellt bruk av företaget enVerid med en licens från ett Loker-patent, absorbera och fånga upp koldioxid och andra luftföroreningar.

"Tänk på vilken stor byggnad som helst, "Prakash säger. 'Tusentals människor andas in syre och andas ut koldioxid.'

Om koldioxidhalten stiger för högt, människor kommer att bli yr eller sömniga. Så typiskt, byggnadsventilationssystem kommer att cirkulera in luft från utsidan varannan timme för att rensa ut koldioxid och andra föroreningar. Den processen använder mycket energi, Prakash förklarar. Men när granulatet sätts in i VVS-systemet, det absorberar luftföroreningar och minskar en byggnads energianvändning med 20 till 30 procent.

"Det är ett sätt att kompensera för koldioxid som är dubbelt, "Säger han, minska mängden koldioxid i en byggnads luftcirkulation samtidigt minska koldioxidutsläppen från energi som används för att hantera luftkvaliteten.

Prakash har tillbringat fyra decennier på USC Dornsife och tänkt på energi – sätt att lagra den och sätt att utnyttja den. Dessa instrument på hans kontor illustrerar några av de praktiska användningarna av vad som kallas metanolekonomin, det visionära konceptet för att skapa förnybara energikällor som han ursprungligen utvecklade tillsammans med den avlidne USC Dornsife professor i kemi George Olah, en nobelpristagare och Prakashs tidigare kollega och mentor.

Utgångspunkten är koldioxid-en naturligt förekommande gas som snabbt ökar i vår atmosfär främst på grund av mänsklig verksamhet, såsom förbränning av fossila bränslen och skogsavverkning. Metanolekonomin, en modell genom vilken kemi används för att producera metanol i stället för fossila bränslen för energilagring, bränsle och råvaror, försöker använda kol som lösning.

"Jorden har inga energiproblem, ", sade Prakash. "Vad den har är en energilagring och ett energibärarproblem.

"Tanken är att vi ska ta koldioxid och omvandla den tillbaka till några kemiska bränslen och råvaror med hjälp av solens energi, " sa Prakash.

Metanol skapas lätt i ett labb, och till relativt låg kostnad, han lägger till. Infrastrukturen finns redan för att ta den i bruk som bränsle och råvara för att ersätta petroleumbaserade produkter.

USA har varit långsam med att ta till sig tekniken, främst för att oljebolagen inte har så mycket ekonomiskt incitament att byta till det renare förbränningsalternativet. Dock, länder som Kina, Island, Israel och Sverige har antagit den förnybara bränslekällan för olika användningsområden, främst för transporter. (En anläggning för produktion av förnybar metanol som drivs av Carbon Recycling International i Reykjavik, Island, bär Olahs namn.)

Indien överväger också hur man kan införliva metanol som ett transportbränsle samt en matlagningsgas för att ersätta allmänt använd fotogen, som producerar farliga föroreningar — därav prototypen av en metanoleldad kamin på Prakashs skrivbord.

En vinnande katalysator för förändring

Zhiyao Lu är postdoktor vid Loker Hydrocarbon Research Institute. Innan han tog sin doktorsexamen. i kemi från USC Dornsife 2016, han studerade farmaceutisk vetenskap. Men hans intressen började förändras. Runt 2010, han började se rapporter som visade att när biodieselindustrin expanderade och vegetabilisk olja användes i större skala, råglycerin producerades i stigande mängder.

"Mer och mer av det slutade som avfall eller som en förorening, " sa Lu. "Jag insåg att det var ett problem, och jag satte detta mål för mig själv att tillhandahålla minst en lösning för att göra situationen bättre."

Han siktade på att hitta ett sätt att förvandla avfallsmaterialet till något värdefullt. Arbetar med USC Dornsife professor i kemi Travis Williams, han utvecklade en katalysator som möjliggör en exceptionellt effektiv kemisk omvandling som omvandlar glycerin till laktat. Kommer vanligtvis från växter, lactate is a valuable natural preservative and antimicrobial agent with a wide range of applications. Most often it is used in cosmetics and soaps.

Lu was interested in commercializing their findings. Williams encouraged him to pursue support to translate their research. Så, Lu applied for the 2018 USC Wrigley Sustainability Prize, which was created by the USC Wrigley Institute to inspire and support the development of entrepreneurial businesses focused on improving the environment. He took home first place along with $7, 000 to help get the business off the ground.

On the heels of that honor, Lu was selected to participate in the National Science Foundation Innovation Corps (I-Corps) program, a seven-week curriculum that supports scientists in bringing their technology to market. Through I-Corps, Lu and Williams met with potential customers, partners and investors to learn the next steps that would take their technology from the lab to a commercial enterprise.

Som ett resultat, the pair's company, Catapower, will be working with World Energy, a top supplier of biodiesel in the U.S., to co-develop the chemical process into a commercial one. Just nu, they are building a demonstration of how that would work in their manufacturing plants.

Lu explains that with just a few extra steps and some additional staff, glycerin can easily be converted to lactate as part of each plant's day-to-day operations, using existing equipment.

By Lu's calculations, Catapower's process could lower the overall cost of producing lactate by 60 percent, when compared with the current commercial practice used to manufacture it.

"Our business advisor said once we start producing it, it will be like printing money, " Lu said. "I'm not as optimistic, but I think the profit margin is good enough for us to run a sustainable business."