【科技.未來】清膠神器雄心壯志 為何節節敗退?

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幾經艱辛,自海龜鼻中夾出沾血飲管、自海鳥屍體肚中取出打火機和樽蓋……這些網絡瘋傳的影像足以反映海洋塑膠垃圾的禍害。

正當多國政府和大企業陸續推行「拒絕派膠」計劃,荷蘭少年Boyan Slat研發多年的海洋垃圾清理器終在去年展開試驗,雄心壯志要在五年內清理全球最大海上垃圾帶一半的垃圾。

然而,質疑者的預言應驗了,這「神器」不但形同虛設,四個月後更因損毀而被撤回。Slat的夢想會否隨其裝置破滅?

我們又應否只寄望這些「神器」來負起清理海洋垃圾的責任?

去年9月,一條黑色長柱管在美國三藩市一個港口隨拖船下水,途經金銀島,穿過金門大橋後,向1,000英里外的太平洋垃圾帶(Great Pacific Garbage Patch)進發。這是荷蘭非牟利組織Ocean Cleanup 70名科學家經五年時間努力,嘗試了273個模型和6個雛形後,才研發出的海洋垃圾清理器System 001,又名Wilson。研發者兼創辦者Slat希望最終放60個這種裝置於海上,聲稱五年就可將太平洋垃圾帶的垃圾減半。不少人對這項設計寄於厚望,例如《時代》雜誌就把它列為2015年25個最佳發明之一;《赫芬頓郵報》(Huffington Post)則稱之為「神奇海洋清理科技」。

Ocean Cleanup的System001,又名Wilson,去年九月自美國三藩市下水,往大平洋試驗捕集垃圾。(Ocean Cleanup圖片)

高中生作業變成品

現時到底有多少海洋垃圾,科學家沒有確實數字,較廣被引述的是美國喬治亞大學(University of Georgia)環境工程教授Jenna Jambeck小組2015年估算:每年平均有800萬噸塑膠垃圾流入海洋;2014年一份研究則指,約24.4萬噸塑膠在海面飄浮;2017年,有研究推算每年約有850萬噸塑膠沉到海底。

唯一可確定的是,海洋垃圾是亟待解決的問題。英國自然歷史博物館鳥類組高級策展人Alexander Bond在澳洲東部觀察一種鸌科(shearwaters)海鳥,指牠們的健康反映了生態環境的健康:「牠們就如煤礦中的金絲雀,已廿年沒有開心地鳴叫過,而我們不只如常生產、使用塑膠,還變本加厲……在海洋最深處的馬里亞納海溝(Mariana Trench)見到,北極冰川海床也見到,塑膠可謂無處不在。」世界經濟論壇曾在2016年預期,若繼續往海洋丟棄垃圾,到2050年時,海洋垃圾的重量將超過海洋所有魚類的總和。

親眼目睹海洋垃圾禍害,荷蘭少年Boyan Slat輟學創立Ocean Cleanup,把清理海洋垃圾的高中作業意念變成實物。(Ocean Cleanup圖片)

Slat 16歲時到希臘潛水,親眼見識海底膠袋多過魚,因而在高中的科學作業中設計了清理海洋塑膠裝置。2012年,他在TEDx演講,分享研發理念和過程;翌年,在大學修讀飛機工程半年的他更毅然退學,創立Ocean Cleanup,全身投入此志業,當時他只有18歲。Cleanup至今共獲約4,000萬美元投資,著名風險投資者Peter Thiel、生物科技巨擘帝斯曼(Royal DSM N.V)均是其中之一。

Slat的靈感來自海洋水流,他發現海洋垃圾會隨水流聚集成一團,五大洋的渦流(gyres)便造成了各自巨型垃圾帶,其中最大型的太平洋垃圾帶位於美國加州和夏威夷之間,面積相當於三個法國。Slat去年向美國《有線電視新聞網》(CNN)表示,估算該垃圾帶有1.8兆塊垃圾,重8萬噸。

塑膠垃圾會隨水流聚在一起,形成垃圾帶。(視覺中國)

Slat於是利用同樣原理,在海上建造一道屏障堵截垃圾。Wilson是一條600米長的浮管,底部裝附了3米深的「裙」(skirt)浸於水中。Slat認為,Wilson與海上垃圾一樣會隨水流移動,並額外受波浪和風推動,理應比海上垃圾移動得快;而浮管兩端的「裙」比中間略短,令浮管在水流推動下會自然形成U字形,可以自動聚集垃圾,「裙」本身亦能防止「捕獲」的垃圾溜走。之後只需定期派船運走積聚的塑膠垃圾,視乎質素或可循環再造成其他產品。計及設計、生產、組裝、首年運作經費等,Wilson的成本約2,460萬美元。

Ocean Cleanup海洋塑膠步驟及原理

「出師未捷身先死」

不過,野心歸野心,Slat在去年11月首次遇到挫折。他在公司網誌上更新Wilson的運作情況:收集不到垃圾,垃圾會自U形口回吐海中,原因之一可能是裝置移動得不夠快:「裝置的移動速度似乎有時比垃圾還慢,令收集到的垃圾有機會溜走。其中一個原因,可能是風令裝置兩個末端像魚鰭般振動,產生阻力,Wilson因而減慢了移動速度。」

翌月,Slat再更新網誌解釋:「Wilson對水流以至海洋垃圾造成的影響,可能比預計中大。似乎裝置在海中移動時會為水流帶來不同效果,例如我們曾觀察到裝置會停滯不前,導致一些小型垃圾會被拉到Wilson附近,卻累積在裝置的外圍。」

Ocean Cleanup在十一月時發現,水流對Wilson的影響在預期之外,使其無法順利捕集垃圾,例如成功收集後會回吐,或垃圾只樍在裝置四周。(Ocean Cleanup)

去年12月底,Slat再遭到更大的打擊。他在Ocean Cleanup官網宣布,職員在例行檢查中發現Wilson末端18米長一截與裝置其餘部分斷開,估計是裝置放置四個月來受盡風浪吹襲,上下擺動逾140萬次,日久勞損所致。工程人員會先把Wilson拖到夏威夷上岸,再決定在該處維修還是送回美國加州總部。

美國進步中心(Center for American Progress)海洋政策總監Miriam Goldstein的海洋學博士論文正是關於太平洋垃圾帶,他自數年前Slat的計劃開始時就密切跟進,去年8月(即Wilson下水前),她曾對《今日美國報》(USA Today)說:「海洋強而有力,很容易令物件粉身碎骨。」結果預言應驗了。

有海洋學家指海洋力量龐大,結果Wilson上月底應驗了質疑者的預言,其中一端勞損斷裂,需回岸維修。(Ocean Cleanup Blog圖片)

加拿大海洋學家Clark Richards在Ocean Cleanup連番受挫後於網誌撰文點評,強調海洋不是容易應付的環境:「在海洋工作很困難。過去舉辦過不少會議,專門討論如何把器械放到海中及進行回收,我也參加過。做實地考察的有一個說法:儀器能全身而退已算任務成功,錄到數據是錦上添花。」

Wilson使用高密度聚乙烯(HDPE)製作,Slat指團隊不會轉用新的物料,而是會改良裝置的配置、彎度,預計維修歷時數月:「這是典型的工程難題。最初可見於鐵路,然後到飛機,再到這個垃圾清理器。(是次斷裂)很難預料和模擬,所以我們獲益不少。」他認為實驗至今並非毫無意義:「這不完全是壞事,我們確認了概念中很多元素,例如系統能夠自行適應風向調節,順利隨波逐流,沒有任何誤捕(bycatch)情況。」

Slat說不會放棄計劃:「當然有少許失望,因為我們本來想放置更長時間做更多實驗,最終解決海洋塑膠垃圾問題。不過,我們不會因此而氣餒。這是全新的領域,要應付極端環境挑戰,我們早已預料有可能需回收再放回好幾次,所以沒有偏離原定計劃太多。」Slat更介懷的,反而是傳媒對此大肆報道,他對《福布斯》(Forbes)說:「整件事放得太大。大家忘記了我們在12月曾強調,這只是實驗。這不是研發一架更好的飛機或汽車,我們只是邊做邊學。」 

雖然Wilson需要送廠維修,但Slat強調將捲土重來。(Ocean Cleanup相片)

海洋勘探儀器生產商Sea-bird Scientific的海洋學家Kim Martini認為,Ocean Cleanup失敗的原因,可能單純是垃圾本來就比Wilson移動得快:「他們似乎從根本上就錯誤理解垃圾如何在海洋移動。」 Richards也持相同意見,他在網誌中指出,Ocean Cleanup的概念建基於在風、波浪和水流的作用下,裝置的移動速度會比垃圾快,然而,這個假設本身便存在不少問題,最起碼忽略了海洋學方面的知識。

對海洋環境認識不足

首先,水粒子會隨波浪以打圈的方式移動,產生「司徒克漂送」(Stokes Drift)的現象,故海浪推送時,海水並非在原位不動,而是會隨海浪方向漂移,距離和速度因波長和波幅而異,水裏所有物件都受影響,雖然要考慮力、動量等元素,但明顯的是,一塊細小的浮游塑膠比起600米長、質量和慣性更大的浮管,更容易因司徒克漂送而漂得更遠。Richards指,單是這一點已足以反駁任何希望透過海浪等被動方式作動力的垃圾收集裝置概念。

NASA曾製作動畫呈現海洋流動變化如何複雜:

其次,在海洋中,風與水流的方向並不一致。瑞典海洋學名家Vagn Walfrid Ekman發現,當風吹過海洋表面時,摩擦力造成的水流方向會與風向不同。背後是名為「科氏力」(Coriolis Force)的原理,即本來直線移動的水流會因地球自轉而變成曲線(即造成南北半球颱風會有順逆時針轉之分的原因)。由於上層的水會對下層的水造成同樣效果,層層下去,結果產生「艾克曼螺旋」(Ekman spiral)的現象。換言之,靠近水面的塑膠垃圾與3米深的垃圾,因風力和水流對其作用不同而移動方向各異,令裝置難以「捕捉」。

再者,渦流時刻變化不定。「『在某個公里處有一個渦流』,只是放諸長時間下取平均數得出的概念。海洋水流在任何一瞬間都是混亂的,恰當的叫法應是擾流(turbulent  flow)。」所以,風、波浪和水流會隨時間和空間不停變動,幾乎不可能同時理想配合。Richards還提出了更多問題,例如當風或波浪急速轉向,可能是180度轉變,垃圾清理器如何可及時調節,避免已聚集的垃圾回吐?波浪打在裝置本身造成的反彈又如何處理?

Ocean Cleanup會定期派船,把Wilson積聚到的垃圾運走,視乎情況回收再造。惟有科學家質疑Wilson只集到水面少量大型塑膠,對藏於海底的微膠粒束手無策。(Ocean Cleanup)

在艱澀的理論以外,Martini批評Ocean Cleanup「過分簡化了一個大家思索已久的複雜問題」,當中包括我們根本不完全清楚海洋塑膠到底分布在哪個水層(water column)。例如一個膠樽,裝滿水後可能會沉到海床;微細的塑膠會被沖上沖下。海洋垃圾研究機構5 Gyres Institute創辦人Marcus Eriksen於2014年估算,只有6,350至245,000噸塑膠垃圾飄浮於海面,比每年800萬噸塑膠垃圾流入海洋少得多。因此,Martini認為即使Wilson能夠成功,頂多只能清理靠近海面的極少數垃圾。

Eriksen補充,塑膠廢物在到達大洋區(open ocean)前,已逐漸下沉和碎裂成微膠粒(microplastics),所以,Slat的裝置只能聚集魚網、箱、浮標等大型垃圾。但微膠粒才是最危險的海洋垃圾,例如海龜誤食後或會哽噎,魚和鳥進食後也可能有吃飽的感覺,導致缺乏足夠能量繁殖或應對風暴。

Wilson在水底有一塊3米深的布幕(skirt)防止已聚集的垃圾溜走,惟有海洋學家擔心海洋生物未必能避開;又或在Wilson上生長,使其功效成疑。(Ocean Cleanup)

威脅海洋生物安全

形同虛設事小,傷及無辜事大。Martini和Goldstein早於2014年指出,Ocean Cleanup的想法漏洞處處,並警告會威脅海洋生物安全,也未經充分試驗。「即使Ocean Cleanup真的撿到垃圾,我仍然懷疑它對生態系統的影響,尤其是Slat說要擴大規模至60個裝置時。」 Goldstein說,「他們沒有認真進行環境評估,這些大型物件對瀕危絕種動物如海龜、經濟魚類如金槍魚,又或要浮在水面生活的動物有何影響?他們亦從未說過會處理生物附着(fouling)的問題,即藤壺之類的生物直接吸附在裝置上生長,會增加裝置重量,令它較難移動。若對環境弊多於利,它就不再是解決方法。」 Ocean Cleanup稱聲已盡量把裝置表面設計得更為光滑,以阻止生物在其上生長。

Richards和Goldstein亦擔心,不是每種生物都能避開Wilson那條「裙」,例如浮游植物、水母和海蛞蝓等。Richards指摘:「雖然Ocean Cleanup最新的環評報告指浮游植物在海洋廣泛存在,不足以影響其數量。但這種說法沒有把未來要放置60個這種裝置的計劃考慮在內。」深海生物學家Andrew David Thaler亦提醒,Ocean Cleanup的U形裝置可能會引來捕獵者和獵物,不但會改變牠們的正常生活和遷移模式,甚至可能令牠們進食更多塑膠。

也有科學家擔心,Wilson收集垃圾同時也聚集生物,增加牠們受困或進食垃圾的機會。(視覺中國)

不過,科學家還質疑,即使Ocean Cleanup能按計劃順利運作,又是不是解決海洋垃圾最有效的方法?詳見另文:【科技.未來】海中心清膠 不如從源頭減廢?

上文節錄自第147期《香港01》周報(2019年1月21日)《「清膠神器」效果不彰 海洋膠災欲救無從》。

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