研究环保的实验室 可能也在破坏着环境
致力于减少碳排放的实验室，就更绿色环保吗？Physcis World最近的报道显示，可能并非如此。图源：Pixabay.com
导语：
全世界有很多科研团队在致力于研发如何减少全人类碳排放的技术，然而让令人汗颜的是，这些实验室本身就在严重地破坏着环境，只不过这个尴尬的事实现在才刚刚被发现。本杰明·斯丘斯（Benjamin Skuse）一直在研究这个问题，并提出了相应的解决方案。
撰文 | Benjamin Skuse
翻译 | 肖梦
校译 | 谷大春
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当你踏入一间典型的实验室时，干净无菌的环境、整齐排列的设备和明确规划的工作空间都会让你误认为实验室应当是一个高效节能的典范。然而，在深入了解后，你可能会非常惊讶。
就拿普通的通风橱来说，它是用来吸走实验室中有害气体烟雾的。在实验室中，通风橱保持常开状态是很平常的，但是要知道在相同时间内，它的能耗是普通家庭的3.5倍。无独有偶，那些沿着墙壁摆放着的一排超低温冰箱的能耗又将如何呢？在实验室中，很多这样的冷藏箱都被长期设置在毫无必要的低温状态，常常只是用来储存很少的实验样品，甚至一些过期的样品。而这样一台冷冻箱每天消耗的能量就等同于一个普通家庭的全部能耗。
美国加州的非营利组织“我的绿色实验室（My Green Lab）”的创始人艾莉森·帕拉迪斯（Allison Paradise）介绍说：“与办公室相比，单位面积的研究实验室要多消耗10倍的能量和至少4倍的水。”而且据估计，全球范围内的实验室每年大约会丢弃55亿公斤的塑料垃圾，这足以让23个曼哈顿岛（曼哈顿岛面积59.1平方公里）的土地上都铺上脚踝高的塑料。”
实验室每天都需要消耗多种资源，其中有一些是完全无法避免的。例如，很多实验室的空调都需要全天候24小时无休地工作，还有一些专业设备，更是不可避免地需要消耗大量的能源和水资源。而且，鉴于一些实验经常会产生某些有害废物或污染物，使用一次性塑料仍然是保障科研安全至关重要的措施。即使是理论研究者也无法暗自窃喜，他们的研究工作同样会给环境带来不利的影响：超级计算机的出现是人类能够进行以往不可能的计算和模拟的关键，但是它同样需要消耗大量的电力和资源。以目前世界上最快的超级计算机——美国的Summit为例，它每分钟就需要消耗高达17000升的冷却水。
帕拉迪斯在一个生物医学研究实验室中工作多年以后，突然意识到了：这并不意味着我们可以坐视不管。于是，她在2013年创建了实验室可持续发展组织。“我以前学到的做法是，为了‘以防万一’，应该让设备一直运行。”她回忆说：“那时候，我从来没有质疑过这点，直到几年以后，当我已经离开了实验室才突然意识到，让设备整夜运行着可能是一种浪费，在很大程度上是一种不必要的资源占用。”
此后，帕拉迪斯便将如何改善研究的可持续性作为自己的事业，她的目标是通过“我的绿色实验室”组织让更多的科学家转变对能源、水资源和废弃物的态度。这意味着需要对研究工作的方方面面进行重新审视：包括从淘汰老旧、低效的冰箱，到使用更为绿色的通勤方式，比如拼车。
“我的绿色实验室”组织为科学家们提供了更为环保的三种主要解决方案。首先，该组织提出了一套公认的实验室可持续性标准。在北美各地，已有超过200个实验室同意遵守这一标准。其次，该组织还为实验室产品制定了一种生态标签，类似于食品营养标志，它能够清楚直白地反映这些产品对环境的影响。最后，他们还为实验室中碳排放大户之一的超低温冷藏箱制定了能耗星级评分制度。
改善实验室，使其变得更加环保的运动并不仅仅局限在北美地区。英国的布里斯托尔大学便是这方面表现最为积极的机构之一。为了回应学生对未来的担忧，布里斯托尔大学最近宣布进入“气候紧急状态”，并保证到2030年实现碳排放平衡。然而，想要实现这一目标的关键还是在于布里斯托尔大学的实验室需要采取积极的措施。该大学中实验室的面积仅占比6%，但能耗、水耗和废物排放量的占比却高达40%。学校鼓励实验室对建筑进行升级改造，使用智能技术提高能源使用效率，比如：房间中没有人的时候采光设施能够自动关闭。同时，研究人员也必须改变其在实验室的工作方式。“如果实验室的使用者不积极配合，即便采用了高效能的实验设备和废物处理方式，也将是无济于事的。”来自该大学可持续实验室的官员安娜·路易斯（Anna Lewis）这样说道。
就在去年，该大学内出现了一个在各项环保节能改良措施中最卓有成效的案例：一栋容纳了25个科研团队和170多个独立实验室的生物医学科学楼的整栋建筑获得了100%的绿色实验室认证（Green Lab Accreditation）。该认证是英国认可的达到可持续成就的标志。这项荣誉的获得要归功于一系列举措：包括淘汰低能效的实验工具、建立实验室设备共享机制以及实现实验室塑料的回收和再利用。在上述措施的共同作用下，布里斯托尔大学在过去两年的时间里就成功节省了85000英镑的能源开支。
布里斯托尔大学如今正在与英国其他一些大学合作，研究制定新一代绿色实验室认证标准，即“实验室效率评估框架”（Laboratory Efficiency Assessment Framework，简称LEAF）。
早在2012年，英国本土就设立了“S-Lab”奖项，旨在奖励全球各地采用了绿色环保的设计、管理和运营的实验室。与北美的“绿色实验室认证”和英国本土的“S-Lab”奖项类似，LEAF认证将授予多方面达到可持续性标准的实验室，包括实验室用品购置、废物处理、设备管理和通风设施等。不过，该认证最为关键地方还是在于它将节能这一概念彻底量化：通过碳排放的减少和资金的节省，开发出环保化改造方案的参考基准、目标和检测标准。今年，LEAF认证标准正在英国国内16所大学率先实行试点项目。路易斯说：“政府和公众都期望大学的支出能够更加透明和负责，而LEAF恰恰为实现这一目标提供了工具和途径。”此前，布里斯托尔大学的物理学院没有申请过任何一项与绿色实验室相关的奖项，但此次，它同样也加入了LEAF。
与此同时，一些游戏形式的实验性举措也在全球范围内推动着实验室的可持续发展。比如，在冰箱挑战赛（Freezer Challenge）中，成功降低冰箱能源消耗的实验室将会得到分数奖励。另外，还有一项早在2005年就开始的竞赛，名叫“关柜门”竞赛，其目的是对抗实验室通风橱产生的巨大能耗。
一直处于工作状态的通风橱在单位时间内的能耗是一般家庭能耗的3.5倍，而实验室产生的塑料废品本该进行回收再利用，但却被直接填埋处理。
然而，这些自发的挑战赛、认证和奖励增多的同时也暴露出一个问题：为什么还有很多实验室仍然反对环保化呢？答案当然是非常复杂的，不过归根结底还是因为存在着某些根深蒂固的偏见，以及缺乏改变的动力。
其中，一个相当普遍的观点是：科研人员认为绿色实验室措施将导致研究质量的下降，甚至会对研究人员的健康和安全产生不利的影响。“然而事实恰恰相反。”路易斯解释说：“比如，高效的超低温冰箱只要维护得当，其使用寿命会更长，故障率也会更低，因此样本保存的安全性将变得更好，同时设备长期使用的成本也会随之变小。”帕拉迪斯也十分认同这一观点，她补充到：“很多情况下，更加环保的可持续方法往往也是更安全和更经济的。”
对于路易斯来说，如何激励研究人员关注实验室的可持续性发展一直是最难突破的难题。研究人员最关注的问题是如何做出高质量的研究，通常他们根本没有时间去考虑环保化的措施。正是基于这一原因，布里斯托尔大学为学生提供了志愿加入研究型实验室的机会，这些学生将会帮助实验室改善并达到可持续发展的标准。“学生通过这种方式不仅能够接触到通常无法触及的研究型实验室，还能让他们对大学的薄弱环节和工作有所了解。”路易斯说到。
当把目光投到不同大小的实验室时我们就会发现，想要改善资源和电力消耗巨大的实验室和设施的可持续性，相关举措的整体性也要更强。耗资7亿英镑建设的全新的弗朗西斯克里克研究所是一座位于伦敦中部的巨型生物医学研究实验室，它通过在建筑的整体设计中融入可持续发展原则，实现了实验室的环保化。例如，通过在向南的屋顶上安装的1700平方米太阳能板，研究所实现了原位热电混合能源系统的应用。同时，它还组建了“即插即用式”实验室，从而保证设施可以实现共享，并且能够迅速地适应未来的使用需求。而且，研究所中三分之一的房屋面积上都摆放着植物。在研究所的屋顶上，甚至还建有一个花园，吸引着各种野生动物前来。
“克里克研究所在BREEAM评分系统当中获得了相当优秀的评级，这对于研究所的设计和建设来说是一个了不起的成就。”拉尼卡·希拉尼（Rajnika Hirani）是可持续发展和商务部的主管，而这里提及的BREEAM全称为“建筑研究机构的环境评估方法”，是一种全球公认的建筑可持续性认证。“我们正在申请‘BREEAM-In-Use’认证，这将能够真正推动每个实验室做出改变。”而这里所提到的“BREEAM-In-Use”认证基于BREEAM评级系统，该系统以运行效率来衡量可持续性改善情况。
位于瑞典隆德的欧洲核散裂中子源目前正处于建设当中，建成后该中子源所产生的全部废热最终都将被接入当地的供热系统，而不是直接排入大气。但是，对于很多大型的物理实验室来说，可持续发展的理念并没有融入在实验室的设计方案当中。比如位于日内瓦的欧洲核子研究中心（CERN）粒子物理实验室，早在人们考虑实验室可持续性之前，该实验室大部分的建筑都已经完工了。数千个巨大的液氦冷却超导磁体，大型强子对撞机（LHC）中不计其数的其余组件，以及实验室中其他的粒子加速器都需要消耗大量的能源。
CERN在投入运行的一年时间内，共计消耗了13亿度电。来自CERN的加速器和科技部主任弗雷德里克·博尔德里（Frédérick Bordry）介绍说：“我们的用电量大约相当全日内瓦州的三分之一，也就是相当于全法国总用电量的0.2%。”这相当于30万英国家庭一年的耗电量。“在加速器领域当中，CERN无疑是最大型的，因此也是世界上最耗电的研究设施。”比如磁体中的超导电缆，想要实现零电阻传导电流，就必须工作在1.9K的低温环境。然而，与超导电缆传输电流所节约的能源相比，给电缆降温制冷所耗费的能源同样相当可观。
欧洲核子研究中心的能源消耗量大约占日内瓦州的三分之一，相当于30万个英国家庭的能耗。图源：CERN
为了在有限的预算下进一步提高CERN的能源利用效率，博尔德里必须要优先考虑实验室的可持续性改进。“每次有人参观中心的时候，他们都会问到：‘为什么你们不在建筑上安装光伏发电设施呢？’”博尔德里回答说：“我们新建的楼房的屋顶上的确架设了光伏发电设施，也做了大量的隔热措施。但是如果我的改良预算只有一两百万欧元，显然我更愿意将它用在改良那些消耗了90%能源的设备上（比如机器、探测器和超级计算机），而不是用在只消耗了10%能源的建筑本身。”
目前，正在进行的一项优化工程就隶属于质子同步加速器东实验区域的翻新改造工程。质子同步加速器东实验区域是CERN建成时间最长、规模最大的建筑结构之一，里面容纳了多条束流线站。“我们会安装全新的专用软件和全新的磁体和电源变流器，采用脉冲的工作模式取代传统的直流模式。”博尔德里说：“该转变将能够节约90%的能源消耗。”
另外，对于采购新的加速器和设备，CERN引入了可持续性标准，比如设计方案需要提供该设备未来10年的运营成本，而不仅仅是采购价格。这意味着当人们决定去升级或采购新设施时，他们能够通过这种“虚拟发票”的形式提前预知“自己的花费所带来的后果”。
当然，CERN能够采取的实验室绿色化的措施还是有限的。比如，LHC当中安装的四个巨大的、昂贵的探测器，它们在设施整个使用寿命中都要持续工作。然而在设计中，其中只有一个探测器，即紧凑渺子线圈（CMS）考虑了能耗问题。预计CERN必须得等到2040年代或是2050年代，LHC需要完成更新换代以后，才有可能宣布其拥有的一流粒子加速器获得了真正意义上的绿色认证。
与此同时，考虑到CERN里有些设备是在其成立之初就已经投入使用的，这些高耗能加速器的升级换代都还需要时间。但在新的采购和决策当中，CERN已经会充分考虑能源的有效利用和可持续性，这也表明了作为耗能大户的科学研究本身在减少人类碳排放量的过程中正逐步做到以身作则，负起应付的责任。
实验室绿色化五大秘诀：
•关掉非工作状态的仪器。来自美国的“我的绿色实验室”组织的创立者艾莉森·帕拉迪斯建议说：“对于有加热或冷却元件的设备，可以使用定时器。这样，就可以在研究人员到达实验室之前让设备达到正确的温度。”
•尽可能使用玻璃器皿，充分利用塑料制品，并积极参与回收召回项目。手套、塑料泡沫冷却箱、滤水柱、塑料包装、微量移液枪头等诸多物品其实都可以回收，不需要进行填埋处理。
•让实验室井然有序。建立并保持合理的库存清单体系，能够帮助研究人员及时清理坏掉的设备和过期的样本，从而避免重复采购和释放实验室空间，这也就意味着有些设备可以暂时被关闭。
•建立设备共享、捐赠或租借体系。英国布里斯托尔大学可持续实验室官员安娜·路易斯说：“我们会要求实验室的研究人员共享实验室空间和设备，同时确保他们不会购买那些可以从大学中其他实验室借用到的设备。”
•交流看法。鼓励更多的实验室加入到类如“我的绿色实验室”、“S-lab”和“LEAF”这类环保项目中来，进而学习和借鉴其他实验室和研究机构改善其可持续性的方式。来自英国弗朗西斯克里克研究所的可持续发展和商务部的主管，拉尼卡·希拉尼（Rajnika Hirani）说：“世界各地有多种多样的可持续性方案，我们都非常乐于分享出来，通过大家的共同努力减少我们对环境的影响。”
作者简介：
本杰明·斯丘斯是一位科学领域的自由撰稿人，居住在英国布里斯托尔市，邮箱地址：bskusescicomm@gmail.com
▲本文为Physics World 专栏的第23篇。
第一篇：中国的挑战和变化
第四篇：中国冲刺月球计划
第五篇：随机行走人生路，量子计算是归途
第六篇：什么情况下冷水比热水升温快
第七篇：文科教育为什么不能偏废？
第八篇：如何写一份面向工业界的简历
第十篇：动物集体行为背后，到底是何机制？
第十一篇：世界首次人机合一的奥运会：比赛爬楼梯、晾衣服背后的黑科技
第十二篇：植“根”于物理
第十四篇：专访王贻芳：建造下一代对撞机
第十五篇：物理学家30年前遭遇的问题，至今没有改善
第十六篇：海蒂·拉玛的双面人生：电影演员与发明家
第十七篇：物理单位的哲学新思考
第十八篇：粒子物理学的成就与挫败
第二十二篇：”新大科学”的兴起
版权声明
原文标题“Leading by example: going green in the lab”，首发于2019年6月出版的Physics World，英国物理学会出版社授权《知识分子》翻译。中文内容仅供参考，一切内容以英文原版为准。未经授权的翻译是侵权行为，版权方将保留追究法律责任的权利。
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制版编辑 | 潺潺
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