研究環保的實驗室 可能也在破壞著環境

致力於減少碳排放的實驗室，就更綠色環保嗎？Physcis World最近的報導顯示，可能並非如此。圖源：Pixabay.com

導語：

全世界有很多科研團隊在致力於研發如何減少全人類碳排放的技術，然而讓令人汗顏的是，這些實驗室本身就在嚴重地破壞著環境，只不過這個尷尬的事實現在才剛剛被發現。本傑明·斯丘斯（Benjamin Skuse）一直在研究這個問題，並提出了相應的解決方案。

撰文 | Benjamin Skuse

翻譯 | 肖夢

校譯 | 谷大春

當你踏入一間典型的實驗室時，乾淨無菌的環境、整齊排列的設備和明確規劃的工作空間都會讓你誤認為實驗室應當是一個高效節能的典範。然而，在深入了解後，你可能會非常驚訝。

就拿普通的通風櫥來說，它是用來吸走實驗室中有害氣體煙霧的。在實驗室中，通風櫥保持常開狀態是很平常的，但是要知道在相同時間內，它的能耗是普通家庭的3.5倍。無獨有偶，那些沿著牆壁擺放著的一排超低溫冰箱的能耗又將如何呢？在實驗室中，很多這樣的冷藏箱都被長期設置在毫無必要的低溫狀態，常常只是用來儲存很少的實驗樣品，甚至一些過期的樣品。而這樣一台冷凍箱每天消耗的能量就等同於一個普通家庭的全部能耗。

美國加州的非營利組織“我的綠色實驗室（My Green Lab）”的創始人艾莉森·帕拉迪斯（Allison Paradise）介紹說：“與辦公室相比，部門面積的研究實驗室要多消耗10倍的能量和至少4倍的水。”而且據估計，全球範圍內的實驗室每年大約會丟棄55億公斤的塑料垃圾，這足以讓23個曼哈頓島（曼哈頓島面積59.1平方公里）的土地上都鋪上腳踝高的塑料。”

實驗室每天都需要消耗多種資源，其中有一些是完全無法避免的。例如，很多實驗室的空調都需要全天候24小時無休地工作，還有一些專業設備，更是不可避免地需要消耗大量的能源和水資源。而且，鑒於一些實驗經常會產生某些有害廢物或汙染物，使用一次性塑料仍然是保障科研安全至關重要的措施。即使是理論研究者也無法暗自竊喜，他們的研究工作同樣會給環境帶來不利的影響：超級計算機的出現是人類能夠進行以往不可能的計算和模擬的關鍵，但是它同樣需要消耗大量的電力和資源。以目前世界上最快的超級計算機——美國的Summit為例，它每分鐘就需要消耗高達17000升的冷卻水。

帕拉迪斯在一個生物醫學研究實驗室中工作多年以後，突然意識到了：這並不意味著我們可以坐視不管。於是，她在2013年創建了實驗室可持續發展組織。“我以前學到的做法是，為了‘以防萬一’，應該讓設備一直運行。”她回憶說：“那時候，我從來沒有質疑過這點，直到幾年以後，當我已經離開了實驗室才突然意識到，讓設備整夜運行著可能是一種浪費，在很大程度上是一種不必要的資源佔用。”

此後，帕拉迪斯便將如何改善研究的可持續性作為自己的事業，她的目標是通過“我的綠色實驗室”組織讓更多的科學家轉變對能源、水資源和廢棄物的態度。這意味著需要對研究工作的方方面面進行重新審視：包括從淘汰老舊、低效的冰箱，到使用更為綠色的通勤方式，比如拚車。

“我的綠色實驗室”組織為科學家們提供了更為環保的三種主要解決方案。首先，該組織提出了一套公認的實驗室可持續性標準。在北美各地，已有超過200個實驗室同意遵守這一標準。其次，該組織還為實驗室產品制定了一種生態標簽，類似於食品營養標誌，它能夠清楚直白地反映這些產品對環境的影響。最後，他們還為實驗室中碳排放大戶之一的超低溫冷藏箱制定了能耗星級評分制度。

01實驗室設備與觀念的共同升級

改善實驗室，使其變得更加環保的運動並不僅僅局限在北美地區。英國的布裡斯托爾大學便是這方面表現最為積極的機構之一。為了回應學生對未來的擔憂，布裡斯托爾大學最近宣布進入“氣候緊急狀態”，並保證到2030年實現碳排放平衡。然而，想要實現這一目標的關鍵還是在於布裡斯托爾大學的實驗室需要采取積極的措施。該大學中實驗室的面積僅佔比6%，但能耗、水耗和廢物排放量的佔比卻高達40%。學校鼓勵實驗室對建築進行升級改造，使用智能技術提高能源使用效率，比如：房間中沒有人的時候采光設施能夠自動關閉。同時，研究人員也必須改變其在實驗室的工作方式。“如果實驗室的使用者不積極配合，即便採用了高效能的實驗設備和廢物處理方式，也將是無濟於事的。”來自該大學可持續實驗室的官員安娜·路易斯（Anna Lewis）這樣說道。

就在去年，該大學內出現了一個在各項環保節能改良措施中最卓有成效的案例：一棟容納了25個科研團隊和170多個獨立實驗室的生物醫學科學樓的整棟建築獲得了100%的綠色實驗室認證（Green Lab Accreditation）。該認證是英國認可的達到可持續成就的標誌。這項榮譽的獲得要歸功於一系列舉措：包括淘汰低能效的實驗工具、建立實驗室設備共享機制以及實現實驗室塑料的回收和再利用。在上述措施的共同作用下，布裡斯托爾大學在過去兩年的時間裡就成功節省了85000英鎊的能源開支。

布裡斯托爾大學如今正在與英國其他一些大學合作，研究制定新一代綠色實驗室認證標準，即“實驗室效率評估框架”（Laboratory Efficiency Assessment Framework，簡稱LEAF）。

早在2012年，英國本土就設立了“S-Lab”獎項，旨在獎勵全球各地採用了綠色環保的設計、管理和運營的實驗室。與北美的“綠色實驗室認證”和英國本土的“S-Lab”獎項類似，LEAF認證將授予多方面達到可持續性標準的實驗室，包括實驗室用品購置、廢物處理、設備管理和通風設施等。不過，該認證最為關鍵地方還是在於它將節能這一概念徹底量化：通過碳排放的減少和資金的節省，開發出環保化改造方案的參考基準、目標和檢測標準。今年，LEAF認證標準正在英國國內16所大學率先實行試點項目。路易斯說：“政府和公眾都期望大學的支出能夠更加透明和負責，而LEAF恰恰為實現這一目標提供了工具和途徑。”此前，布裡斯托爾大學的物理學院沒有申請過任何一項與綠色實驗室相關的獎項，但此次，它同樣也加入了LEAF。

與此同時，一些遊戲形式的實驗性舉措也在全球範圍內推動著實驗室的可持續發展。比如，在冰箱挑戰賽（Freezer Challenge）中，成功降低冰箱能源消耗的實驗室將會得到分數獎勵。另外，還有一項早在2005年就開始的競賽，名叫“關櫃門”競賽，其目的是對抗實驗室通風櫥產生的巨大能耗。

一直處於工作狀態的通風櫥在部門時間內的能耗是一般家庭能耗的3.5倍，而實驗室產生的塑料廢品本該進行回收再利用，但卻被直接填埋處理。

然而，這些自發的挑戰賽、認證和獎勵增多的同時也暴露出一個問題：為什麽還有很多實驗室仍然反對環保化呢？答案當然是非常複雜的，不過歸根結底還是因為存在著某些根深蒂固的偏見，以及缺乏改變的動力。

其中，一個相當普遍的觀點是：科研人員認為綠色實驗室措施將導致研究質量的下降，甚至會對研究人員的健康和安全產生不利的影響。“然而事實恰恰相反。”路易斯解釋說：“比如，高效的超低溫冰箱只要維護得當，其使用壽命會更長，故障率也會更低，因此樣本保存的安全性將變得更好，同時設備長期使用的成本也會隨之變小。”帕拉迪斯也十分認同這一觀點，她補充到：“很多情況下，更加環保的可持續方法往往也是更安全和更經濟的。”

對於路易斯來說，如何激勵研究人員關注實驗室的可持續性發展一直是最難突破的難題。研究人員最關注的問題是如何做出高質量的研究，通常他們根本沒有時間去考慮環保化的措施。正是基於這一原因，布裡斯托爾大學為學生提供了志願加入研究型實驗室的機會，這些學生將會幫助實驗室改善並達到可持續發展的標準。“學生通過這種方式不僅能夠接觸到通常無法觸及的研究型實驗室，還能讓他們對大學的薄弱環節和工作有所了解。”路易斯說到。

02大型實驗室有大問題

當把目光投到不同大小的實驗室時我們就會發現，想要改善資源和電力消耗巨大的實驗室和設施的可持續性，相關舉措的整體性也要更強。耗資7億英鎊建設的全新的弗朗西斯克裡克研究所是一座位於倫敦中部的巨型生物醫學研究實驗室，它通過在建築的整體設計中融入可持續發展原則，實現了實驗室的環保化。例如，通過在向南的屋頂上安裝的1700平方米太陽能板，研究所實現了原位熱電混合能源系統的應用。同時，它還組建了“即插即用式”實驗室，從而保證設施可以實現共享，並且能夠迅速地適應未來的使用需求。而且，研究所中三分之一的房屋面積上都擺放著植物。在研究所的屋頂上，甚至還建有一個花園，吸引著各種野生動物前來。

“克裡克研究所在BREEAM評分系統當中獲得了相當優秀的評級，這對於研究所的設計和建設來說是一個了不起的成就。”拉尼卡·希拉尼（Rajnika Hirani）是可持續發展和商務部的主管，而這裡提及的BREEAM全稱為“建築研究機構的環境評估方法”，是一種全球公認的建築可持續性認證。“我們正在申請‘BREEAM-In-Use’認證，這將能夠真正推動每個實驗室做出改變。”而這裡所提到的“BREEAM-In-Use”認證基於BREEAM評級系統，該系統以運行效率來衡量可持續性改善情況。

03前路漫漫

位於瑞典隆德的歐洲核散裂中子源目前正處於建設當中，建成後該中子源所產生的全部廢熱最終都將被接入當地的供熱系統，而不是直接排入大氣。但是，對於很多大型的物理實驗室來說，可持續發展的理念並沒有融入在實驗室的設計方案當中。比如位於日內瓦的歐洲核子研究中心（CERN）粒子物理實驗室，早在人們考慮實驗室可持續性之前，該實驗室大部分的建築都已經完工了。數千個巨大的液氦冷卻超導磁體，大型強子對撞機（LHC）中不計其數的其余組件，以及實驗室中其他的粒子加速器都需要消耗大量的能源。

CERN在投入運行的一年時間內，共計消耗了13億度電。來自CERN的加速器和科技部主任弗雷德裡克·博爾德裡（Frédérick Bordry）介紹說：“我們的用電量大約相當全日內瓦州的三分之一，也就是相當於全法國總用電量的0.2%。”這相當於30萬英國家庭一年的耗電量。“在加速器領域當中，CERN無疑是最大型的，因此也是世界上最耗電的研究設施。”比如磁體中的超導電纜，想要實現零電阻傳導電流，就必須工作在1.9K的低溫環境。然而，與超導電纜傳輸電流所節約的能源相比，給電纜降溫製冷所耗費的能源同樣相當可觀。

歐洲核子研究中心的能源消耗量大約佔日內瓦州的三分之一，相當於30萬個英國家庭的能耗。圖源：CERN

為了在有限的預算下進一步提高CERN的能源利用效率，博爾德裡必須要優先考慮實驗室的可持續性改進。“每次有人參觀中心的時候，他們都會問到：‘為什麽你們不在建築上安裝光伏發電設施呢？’”博爾德裡回答說：“我們新建的樓房的屋頂上的確架設了光伏發電設施，也做了大量的隔熱措施。但是如果我的改良預算只有一兩百萬歐元，顯然我更願意將它用在改良那些消耗了90%能源的設備上（比如機器、探測器和超級計算機），而不是用在隻消耗了10%能源的建築本身。”

目前，正在進行的一項優化工程就隸屬於質子同步加速器東實驗區域的翻新改造工程。質子同步加速器東實驗區域是CERN建成時間最長、規模最大的建築結構之一，裡面容納了多條束流線站。“我們會安裝全新的專用軟體和全新的磁體和電源變流器，採用脈衝的工作模式取代傳統的直流模式。”博爾德裡說：“該轉變將能夠節約90%的能源消耗。”

另外，對於採購新的加速器和設備，CERN引入了可持續性標準，比如設計方案需要提供該設備未來10年的運營成本，而不僅僅是採購價格。這意味著當人們決定去升級或採購新設施時，他們能夠通過這種“虛擬發票”的形式提前預知“自己的花費所帶來的後果”。

當然，CERN能夠采取的實驗室綠色化的措施還是有限的。比如，LHC當中安裝的四個巨大的、昂貴的探測器，它們在設施整個使用壽命中都要持續工作。然而在設計中，其中只有一個探測器，即緊湊渺子線圈（CMS）考慮了能耗問題。預計CERN必須得等到2040年代或是2050年代，LHC需要完成更新換代以後，才有可能宣布其擁有的一流粒子加速器獲得了真正意義上的綠色認證。

與此同時，考慮到CERN裡有些設備是在其成立之初就已經投入使用的，這些高耗能加速器的升級換代都還需要時間。但在新的採購和決策當中，CERN已經會充分考慮能源的有效利用和可持續性，這也表明了作為耗能大戶的科學研究本身在減少人類碳排放量的過程中正逐步做到以身作則，負起應付的責任。

實驗室綠色化五大秘訣：

•關掉非工作狀態的儀器。來自美國的“我的綠色實驗室”組織的創立者艾莉森·帕拉迪斯建議說：“對於有加熱或冷卻元件的設備，可以使用定時器。這樣，就可以在研究人員到達實驗室之前讓設備達到正確的溫度。”

•盡可能使用玻璃器皿，充分利用塑料製品，並積極參與回收召回項目。手套、塑料泡沫冷卻箱、濾水柱、塑料包裝、微量移液槍頭等諸多物品其實都可以回收，不需要進行填埋處理。

•讓實驗室井然有序。建立並保持合理的庫存清單體系，能夠幫助研究人員及時清理壞掉的設備和過期的樣本，從而避免重複採購和釋放實驗室空間，這也就意味著有些設備可以暫時被關閉。

•建立設備共享、捐贈或租借體系。英國布裡斯托爾大學可持續實驗室官員安娜·路易斯說：“我們會要求實驗室的研究人員共享實驗室空間和設備，同時確保他們不會購買那些可以從大學中其他實驗室借用到的設備。”

•交流看法。鼓勵更多的實驗室加入到類如“我的綠色實驗室”、“S-lab”和“LEAF”這類環保項目中來，進而學習和借鑒其他實驗室和研究機構改善其可持續性的方式。來自英國弗朗西斯克裡克研究所的可持續發展和商務部的主管，拉尼卡·希拉尼（Rajnika Hirani）說：“世界各地有多種多樣的可持續性方案，我們都非常樂於分享出來，通過大家的共同努力減少我們對環境的影響。”

作者簡介：

本傑明·斯丘斯是一位科學領域的自由撰稿人，居住在英國布裡斯托爾市，郵箱地址：[email protected]