科學家嘗試實現實驗室的氣候可持續性

他們致力于在不影響研究的情況下減少溫室氣體排放。

對于科研人員及其所屬單位來說，減少航空旅行、提高基礎設施的能源效率以及安裝太陽能電池板等，顯然是他們可以采取的用以減少碳足跡的舉措。除了這些，他們也能通過一系列行動來踐行低碳理念，小到減少一次性塑料和其他消耗品的使用，關閉沒在用的儀器，大到利用廢熱，將計算設施選址于可再生能源供電之處。從系統層面看，一些措施能夠鼓勵碳減排行為——例如，對于求職演說（應聘學術界崗位時進行的科研報告），無論是面談抑或遠程，都一視同仁，因為后一種報告形式可能減少空中旅行帶來的碳排放。

漢娜 · 約翰遜（Hannah Johnson）指出：“我們面對的一大挑戰是獲得學術機構、資助團體以及其他國家和國際科學單位自上而下的支持。”約翰遜在荷蘭烏得勒支的馬克西瑪公主兒科腫瘤中心擔任成像組技術員，也是荷蘭綠色實驗室的成員。荷蘭綠色實驗室是一個志愿者組織，旨在促進可持續性的科學實踐。

南丹麥大學教授阿斯特麗德 · 艾希霍恩（Astrid Eichhorn）致力于研究量子引力，同時也是歐洲科學與人文學會聯盟氣候可持續性委員會的成員。根據她的說法，在某個時刻，政府可能會制定支持氣候可持續性的法律。“我們以一種積極主動的姿態，以不影響研究與合作質量的方式做出改變，我們現在理應抓住這個機會，而非等待外部監管。”

2021年聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）的一份特別報告指出，如果人類設法將全球碳排放量限制在300吉噸（1吉噸=109噸）二氧化碳當量（CO2e），就會有83%的概率將升溫幅度控制在2015年《巴黎協定》設定的1.5°C范圍內。這一目標意味著，到2050年每人每年的碳排放量不超過1.2噸CO2e。艾希霍恩表示，科研人員對平均排放量的估計值遠高于1.2噸，而且差異很大，部分原因在于計量方法不同且不完整。她引用了歐洲科學家的估計值——每年7噸到18噸。

美國布魯克海文國家實驗室（BNL）的榮譽高級科學家托馬斯 · 羅瑟（Thomas Roser）指出，可以肯定的是，在全球碳排放的宏偉計劃中，科學界對溫室氣體的貢獻很小。不過即便如此，他們仍負有“道德責任”。根據羅瑟的觀點，對于像高能物理學這樣的“奢侈領域”，氣候可持續性的道德重任尤為重大，除了知識和一些派生之物外，它沒有社會效益。“科學界可以成為社會其他領域的榜樣，節能技術的發展可能是一項重要紅利。”

萬物碳中和

科學設施通常將可再生能源作為其可持續發展計劃的一部分。羅瑟對此持懷疑態度：“如果一個科學設施轉向使用可再生能源，它就會從社會的其他部分奪取這種能源。”我們的目標應當是各方面、全社會都實現碳中和，而在此之前，科學設施需要努力提高能源效率和能源回收率。

羅瑟建議，只要條件滿足，我們不妨使用永磁體而非耗電量大的電磁鐵。這是提高實驗粒子物理學能量效率的一個例子。他指著能量回收型直線加速器（CBETA）說道，科技進步使制造精密的永磁體成為可能。多個永磁體黏合在一起，并用金屬絲墊片進行微調，可以產生強度和方向精確到10–4的磁場。羅瑟表示，永磁體具備靜態存儲環和固定磁場，是“同步加速器光源的重要機遇”。它們還獲得了用于癌癥放射治療的專利。CBETA的另一個可持續方面是能量回收，電子在加速時收集的能量到減速時被移除，之后又被重新利用。“CBETA顯著降低了能源消耗，且仍保持原來水平的性能。沒人愿意犧牲性能。”

計算是一個不斷增長的耗能排碳領域。劍橋大學計算生物學博士后洛伊克 · 蘭內隆格（Lo?c Lannelongue）表示，科學家們傾向于認為，計算工作花不了什么錢，占不了什么資源，經濟成本非常低，而且有大量超級計算機可供使用。“很少有人因為覺得計算成本高昂而放棄開展它。”

2020年，蘭內隆格從他的博士研究中抽出兩周時間創建了一個碳足跡計算器。現在那個計算器成了他博士工作的一個重要小項目。他對計算器做出改進以擴展其用途，并撰寫論文，還就此主題進行演講。蘭內隆格說道：“如果人們意識到碳成本的存在，他們就會更謹慎，我不會再僅僅因為我會理論計算，所以就去做理論計算。”

根據蘭內隆格的說法，個人可以采取的減少碳足跡的其他措施包括優化代碼和更新軟件。使用最新版本基因組分析軟件包進行特定計算，所產生的碳排放量僅為最初商業版本的1/4。“此工具背后的團隊正提高其效率。我們不必權衡取舍，因為計算與低碳可以兼得。”

對于機構來說，通過修改冷卻設計，以及將計算中心定位至有可再生能源可供使用的地方，可減少計算工作的碳排放。例如，歐洲核子研究中心（CERN）通過冷卻計算機走廊而非整個房間等措施，提升了現有數據中心的效率。實驗室信息技術部副主任鮑勃 · 瓊斯（Bob Jones）表示：“升級使PUE從1.7降至1.5。”PUE指電源使用效率，是設施使用的總能量與輸送至其計算設備的能量之比。將于2023年晚些時候在CERN開放的新數據中心的PUE為1.1。CERN計劃回收新中心產生的熱量。類似地，目前冷卻大型強子對撞機（LHC）產生的一些熱水也被轉移到鄰近城鎮使用。

氟化氣體

由于歐洲核子研究中心主要由來自法國的核能提供動力，其巨大能耗并非溫室氣體排放的主要貢獻者。根據他們2021年的環境報告，大約80% 的溫室氣體排放來自LHC實驗中用于粒子檢測和探測器冷卻的氟化氣體，以及電源電氣絕緣的氟化氣體。氟化氣體的升溫潛力是二氧化碳的數千倍。

大型強子對撞機實驗中的大約 20個探測器系統使用各種氣體混合物作為活性介質來探測碰撞產生的粒子。這些氣體包括氫氟碳化物和全氟化碳，以及二氧化碳、氖氣、氬氣和氧氣。粒子物理學家比阿特麗斯 · 曼德利（Beatrice Mandelli）表示，如此選擇旨在“滿足特定實驗的要求，包括時間分辨率、效率、倍率能力等”。氣體泄漏會對環境造成危害。

一種氣體檢測器主要包含四氟乙烷以及少量異丁烷和六氟化硫。曼德利是負責監督CERN氣體探測器系統的團隊一員。根據她的說法，探測器系統選擇的氣體混合物允許初步電離和電子雪崩，且能抑制電火花產生。四氟化碳被用于不同類型的氣體檢測器，可提供高時間分辨率，減緩檢測器老化。四氟乙烷常見于制冷領域，雖然工業界已經找到了它的替代品，但粒子探測器仍離不開它。

曼德利表示：“我們的需求非常具體。幾何形狀和電子器件是定制的，探測器必須能夠運行多年。幾十年前設計探測器時，沒有人意識到溫室氣體排放問題。”

為減少排放，CERN關閉了檢測器系統從而使氣體混合物得以再循環，回收了氟化氣體，并于加速器關閉時修復泄漏。針對正在進行的環保替代品研究，曼德利表示，未來的探測器將不會使用溫室氣體，因為除了造成環境污染，它們還可能變得更難獲得，因為工業界正在遠離含氟氣體，而且《京都議定書》要求逐步淘汰它們。

在位于美國新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯國家實驗室（LANL），研究人員試圖尋找氟化氣體的替代品，但遇到了困難。

約翰 · 查龍科（John Charonko）在 LANL領導一個研究重氣體和輕氣體混合的小組。在混合過程中，垂直管里的六氟化硫被推下5.3米，與空氣混合。團隊之所以使用六氟化硫，是因為它重、無毒且便宜。查龍科說道，這些實驗類似于美國國家點火裝置研究的慣性約束聚變過程。它們還與理解天體物理過程有關，例如白矮星演化和超新星爆炸。

根據拜登于2021年12月簽署的行政命令，LANL正致力于到2035年實現無碳污染的電力供應，到2050年實現凈零排放。此外，LANL計劃建設一個約0.2平方千米的光伏農場，同時也正考慮開發用于現場發電的微型核反應堆。目前，該實驗室的工作重點是翻新建筑物以提高能源效率并采購無碳電力。另一方面，LANL也將目光投向了交通領域。實驗室可持續發展團隊的香農 · 布萊爾（Shannon Blair）表示，鼓勵員工減少碳排的可行方法包括，為校園交通提供電動自行車，只向拼車群體提供停車位，以及將實驗室用車換成電動汽車等。“我們的政府車隊有1 500輛汽車。它占我們總排放量的2%。這個數值很小，卻也是顯而易見的。”

在約翰遜位于荷蘭烏得勒支的工作場所，超低溫冰箱消耗的能源相當于60個普通荷蘭家庭的用電量。如果把這類冰箱的工作溫度從常規的 -80°C提高到-70°C，可減少約30%的能耗。“我們在歐洲面臨著巨大的能源危機，因此可持續發展社區正試圖引起各方關注，并推動機構參與到減排大業中來。”

成本和碳的效率

幾年前，雙子座天文臺的望遠鏡配備了太陽能電池板和節能設備，包括變壓器、冷卻系統、LED燈和運動傳感器。太陽能電池板提供了雙子南座望遠鏡（位于智利帕穹山）所需能量的20%，雙子北座望遠鏡（位于夏威夷莫納克亞山）所需能量的12%，以及天文臺夏威夷辦事處的 20%。美國國家科學基金會（NSF）國家光學-紅外天文學研究實驗室（NOIRLab）的運營副主任英格 · 喬根森（Inger Jorgensen）表示，配置升級旨在降低運營成本，不過也減少了設施的碳足跡，到明年就會收回成本。在2021年向NSF申請為期5年的續期撥款時，NOIRLab提議，將員工差旅減少至新冠疫情前水平的一半，并將因此省下的470萬美元用于額外的節能設備。NSF同意了此項提議。喬根森表示，新的改變將使NOIRLab的碳排放量減少30%——從2019年的8 700噸CO2e降至2027年底的6 200噸CO2e。這一減少量相當于500戶普通家庭一年的排放量。“每一件小事都有所助益，而且它們可以做到。”

資助機構的力量

艾希霍恩等人都希望資助機構介入，并利用其影響力推動研究人員和單位減少溫室氣體排放。第一步工作：資助機構要求申請人估計他們研究計劃的碳足跡。艾希霍恩指出，雖然全球越來越多高校和科研單位正在這樣做，但由于缺少標準化，所以很難對其進行比較。蘭內隆格表示：“當資助機構說，你必須估算自己工作的碳足跡時，每個申請人就都會照做。我還沒有看到這類強制性的要求，但形勢正朝那個方向發展。”

此外，資助機構也可獎勵那些包含減排方式的提案。約翰遜建議，對踐行可持續發展的單位予以表彰，或許是一種良好的激勵措施。

另一方面，減少差旅也是重要的減排手段。有助于減少差旅的措施包括，限制科學家為申請撥款而作當面報告的次數，以線上方式開展資助相關工作和崗位面試同樣會減少差旅，單位放寬參加會議的交通方式要求，并將碳預算納入決策。

艾希霍恩判斷，遠程會議最多可減少98%的排放量。若依據與會者的出發地選定會議地，也能把會議的碳足跡減少20%。艾希霍恩說道：“科學界的減排需要創造力和文化變革。”

資料來源 Physics Today