近日，美国《大众科学》月刊发表题为《2021年最“耀眼”的工程创新》的文章。 文章指出，今年的顶级工程创新解决了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脱碳领域的困境。 除了展示绿色技术的进步外，这些创新还涉及更安全的采矿方法、可以解开蛋白质结构之谜的人工智能（AI），以及令人兴奋的世界上第一个海上过山车。
炼钢只排放水！世界上第一个无化石钢铁就在这里
无化石钢铁告别二氧化碳排放
炼钢过程产生的碳排放量占世界碳排放量的 7% 至 9%，其中大部分来自一种经过特殊加工的煤炭，称为“焦炭”。 在高达 3,000°F（约 1,649°C）的温度下，焦炭与铁矿石中的氧气发生反应，将金属净化成炼钢所需的形式，但在此过程中会排放大量二氧化碳。
为了减少碳足迹，瑞典（突破性氢炼铁技术）项目旨在用可再生电力和氢气替代传统矿石炼钢所需的焦煤，开发了一种“绿色钢铁”。 氢气在竖炉中与矿石中的氧气发生反应，并利用风能和水力发电将其加热至 1,500°F（约 816°C）。 该过程排放氢气和水而不是二氧化碳，所得的“海绵铁”在含有少量碳的电弧炉中熔化以制造钢。 据悉，该工艺的二氧化碳排放量不到传统焦炭燃料解决方案的2%。
更清洁！欧洲航运公司联手打造绿色氨动力油轮
瓦锡兰和格里格联手建造世界上第一艘绿色氨动力油轮
在世界各地运输货物的大型集装箱船实际上是巨大的污染源，产生的二氧化碳排放量约占全球二氧化碳排放量的3%。 不幸的是，电池没有足够的能量密度来有效地为大型船舶提供动力，并且在海洋中充电几乎是不可能的。
今年，我们与挪威航运集团的创新部门合作建造无碳氨动力船舶。 目前，瓦锡兰已在实验室成功完成了使用70%氨混合燃料的发动机测试，并计划在2024年之前推出纯氨燃料动力油轮。
城市里可以建海鲜养殖场吗？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增长间接导致约340万英亩红树林遭到破坏，其中大部分位于东南亚。 破坏这些吸碳生态系统会比饲养牛、猪或鸡产生更高的碳足迹，而疾病爆发和水道堵塞也困扰着海洋养殖业。
“垂直海洋”为虾类提供更清洁、更可持续的环境
“ Ocean”是一家位于新加坡的公司。 它开发的巨型“水塔”位于新加坡主岛南部的圣约翰岛海水养殖中心。 这是世界上第一个真正的垂直海鲜生产系统。 这种垂直模型将多样化的营养生物学与先进的数字技术相结合，创建模块化的生长栖息地，并有效地堆叠在垂直塔中。 海水在平衡的生态系统中循环，虾、鱼和藻类幸福地共存。 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、能源使用效率等。用可持续成分重新配制的饲料可以最大限度地减少营养损失并改善虾的味道。
这种方法可以使水几乎100%得到循环利用，而无需修建下水道。 今年，垂直海鲜生产系统收获了10批虾，总计超过1吨甲壳类动物。
一座“自我检查”的桥梁：意大利倒塌桥梁重建后显露出来
2018年，意大利热那亚莫兰迪大桥垮塌，造成43人死亡。 其原因尚不完全清楚。 专家推测，交通拥堵、腐蚀性盐空气、工厂污染和河水上涨可能是幕后黑手。
机器人“眼睛”不断检查圣乔治大桥是否存在最微小的缺陷
由建筑师伦佐·皮亚诺重新设计的圣乔治桥于今年早些时候揭幕，取代了莫兰迪桥。 新桥增加了多种自动传感功能来检测故障。 一对 2 吨重的检查机器人在碳复合材料轨道上过桥，每八小时拍摄 25,000 张照片，使机器视觉软件能够发现任何异常情况。 此外，太阳能电池板满足了桥梁 95% 的能源需求，包括照明电源和检测危险接缝裂缝的传感器的电源。
刺激！游轮上也可以玩过山车。 邮轮巨头嘉年华建造了第一座海上过山车
想必很多人都体验过欢乐谷和环球影城的过山车。 在陆地上坐过山车并不是什么新鲜事，但你有没有想过在豪华游轮上坐过山车呢？ “博尔特”过山车可以帮助你实现你的愿望。
“闪电”——终极海上过山车
“闪电”全长近244米，有扭转、转弯、急速下降等部分。 它的时速可达近64公里，行驶高度约为海拔57米。 由于它利用电力代替重力和惯性，操作者可以随时控制“闪电”的速度，防止失控。
“替代”锂电池用“铁”发电？美国初创公司新电池可持续100小时
为了维持完全可再生的电力供应网络，大公司往往需要大型且廉价的电池来满足风力发电间歇性或太阳能发电不足时的峰值电力需求09款嘉年华用的什么钢材，但在这种情况下使用大量锂离子电池成本高昂。
“Big Jim”——昂贵电池的“替代品”
因此，美国初创公司Form开创了一种新型廉价电池——铁空气金属电池，该电池由地球上最丰富的金属之一：铁制成。
该电池原型绰号“大吉姆”，充满了 18,000 个卵石大小的灰铁颗粒，这是一种储量丰富、无毒且不易燃的矿物。 “大吉姆”通过与环境中的氧气和铁反应释放电子，产生铁锈。 电流将铁锈转化回可用的铁，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成本为 50 至 80 美元。 Form 生产这种新电池的价格为每千瓦时 20 美元。 据了解，该电池将于2025年投入运行，可连续供电100小时。
将人工智能从预测发展到“构思”新的蛋白质结构
半个世纪以来，科学家们一直在寻找“蛋白质折叠问题”的解决方案。 这是生物学上的一个巨大挑战，困扰了一代又一代的科学家。 但现在，人工智能（AI）已经解决了这个问题。 美国公司开发的Alpha折叠系统已经能够“构思”出结构稳定的新蛋白质。
Deep 开发的Alpha折叠系统“孕育”结构稳定的新蛋白质
在 α 折叠出现之前，科学家只知道人体内大约 20,000 种蛋白质中约 17% 的 3D 结构。 现在，利用 α 折叠，科学家们已经获得了几乎所有（98.5%）人类蛋白质组的 3D 结构。 其中36%的预测精度非常高，达到原子级别。
目前，Deep 已开放源代码和预测数据库，以方便新药物或新材料的开发和研究。
未来降温新方式：高科技面板反射热量
空调和风扇消耗全球 10% 的电力，预计到 2050 年其使用量将增加两倍，吸收更多能源并将热量返回到周围环境。 反射光的纳米技术屋顶正在打破这种有害循环。
更热的世界需要更多的空调，而不会增加您的电费
新型辐射冷却面板覆盖有多层光学薄膜，可发射波长在 8 至 13 微米之间的热辐射，最终穿过地球大气层进入太空。 在此过程中，面板温度最多可降低 15°F，为建筑物的现有系统提供零排放冷却。
去年秋天，加利福尼亚州斯托克顿的一家杂货店安装了一个原型机，通过面板下方的水管冷却商店的制冷系统，每年节省约 6,000 美元的电费。
大幅降低矿工风险：澳大利亚公司推出地下矿井爆破新解决方案
采矿业是世界上最危险的行业之一。 埋设炸药、炸毁隧道等各种作业都存在危险，有时还会发生地震。
这使得矿工在工作时大大降低了安全风险。
为危险的采矿业提供了一种创新型特种机器人——机器人，这是世界上第一个双臂、半自动、全机械化的炸药输送系统，只需一名操作员即可在安全的环境下准备和装载炸药。 借助无线启动系统，在充电周期内不再需要传统连接和其他物理有线连接。
“直奔黄龙”！美国无人水面帆船深入飓风萨姆
为了了解飓风如何加剧并更好地预测未来的灾难09款嘉年华用的什么钢材，科学家需要风暴期间的气压、水温、湿度和风况数据。
作为2021年大西洋飓风季最强风暴，飓风“萨姆”引起了气象部门的高度关注。 尽管它不构成登陆威胁，但美国无人船公司已与美国国家海洋和大气管理局（NOAA）合作，以更好地监测此类风暴。
今年9月，在太阳能和风能的驱动下，一艘长约7米的自动驾驶帆船SD 1045就像一把利刀劈开水面，“直入黄龙”，插入四级飓风“山姆”号进入内部，成为第一艘进入飓风中心的机器人船。 为了更好地承受极端条件，这艘无人驾驶帆船缩短了机翼，在风暴中提供了同类数据中的第一个数据和镜头，同时风速高达每小时 190 公里。 。
目前，美国各地的实验室已经在使用SD 1045帆船提供的海面数据。 NASA 已使用它来完善卫星监测数据以研究气候变化； 美国国家海洋和大气管理局已用它来调查阿拉斯加狭鳕的健康状况。
本文图片均来自美国月刊《大众科学》网站
