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出於物質不滅定律,地球上的各種物質不會平白無故消失,只會轉變存在的形式。只是隨物質而異,轉變的速度快慢不一。

大家最熟悉的物質循環大概是水。從天上降雨,流經山川湖海,經日曬而蒸發為雨雲,這個循環每年可以走好幾次。另一個重要的資源是化石燃料,經過幾億年,海藻及海洋生物生長、沈澱、壓縮、化學變化,最後成為原油或天然氣埋藏在地層中,後來被人類開發,成為現代物質文明最重要的推手。理論上,新的原油或天然氣仍然繼續在醞釀中,只是週期太長,人類短暫的幾萬年歷史無法觀察。

人類文明史可以說是一部材料發明史,從青銅器、鐵器到陶瓷,每發明一種新材料便將文明推向一個新高峰。但早期的材料發明,使用的元素不是金銀銅鐵錫等金屬,便是木材或泥土,人們發明了各種工藝,將不同的材料聚合在一起。最終這些材料都可以回歸成原本各自的狀態,金屬融解還原,陶瓷回歸於塵土。

但在西元1869年美國人John Wesley Hyatt成功合成了賽璐珞(celluloid)(其材料為木纖維、硝酸、硫酸、樟腦等)之後,人造材料的潘朵拉盒子便從此打開。隨著石油工業與高分子化學的進展,各種塑膠成為現代人類日常生活中不可缺乏的材料。有人統計,現代地球人平均每人每年消耗45公斤塑膠,浪費的美國人更高達100公斤,其中超過50%用在用過即丟的一次性包裝材料。

跟其他早期文明開發的材料相比,塑膠是人類科技創新中最為特殊的一種材料。

石油還能再用多少年?

從成份來說,塑膠主要由碳、氫、氧三種元素組成,其中氧是地球上含量最多的元素,大氣層含有20%的氧,地殼中的含量為49%,可以說是取之不盡用之不竭。而地層中蘊藏量龐大的原油或天然氣,其基本成份也是碳、氫、氧,因此成為製造塑膠最佳的原材料。

地球原油的蘊藏量固然龐大,但經得起現代塑膠文明多久的開採?

根據BP石油公司2013年的估計,地球原油的藏量只夠人類使用53年,不過這個年份受到幾個因素影響。一是透過對地層更精準的探勘,經常發現前所未知的藏量,過去十年,對原油蘊藏量的預估已經增加了27%。二是來自科技的進步,減少了對原油的需求。例如目前大量的原油消耗於交通運輸工具,以目前電動車的蓬勃發展趨勢,未來可以大幅減少對原油的依賴。因此預估原油蘊藏量支撐人類現代物質需求到百年以上,應該不算離譜。

但是現代社會對塑膠的依賴仍然方興未艾。由於塑膠材料生產技術普及,生產成本低廉(當然這是因為沒有計算環境等外部成本),用塑膠製造出來的各種成品具有許多優點,重量輕(密度比海水還低),形狀容易塑造,同時因為不容易跟其他化學或生物成份結合,因而乾淨衛生,維護簡易。

然而這也是塑膠材料最大的問題,結構越穩定,也就越難以分解。

就以現代社會人手一瓶的瓶裝水的容器而言,在不假人力的自然條件下,分解成為天然成份的時間需要450年之久。結構較為鬆散的容器如保麗龍,也需要50年。

因此塑膠文明最大的威脅是:它使用的原始材料需要幾億年才能回補,它的最終成品卻需要幾百年才能回歸自然。一方面,地底的油層或天然氣層被不斷開發採掘,對地層造成無可逆轉的永久變化;另一方面,自原油生產出的塑膠成品又以每年3億公噸的速度不斷累積。以體積計算,一年的塑膠產量相當於150座101大樓,如果不回收再製,400年內,地球上將多出6萬座101大樓的塑膠垃圾。

相形之下,地球上另一種重要的物質──木纖維,由樹木轉換陽光、空氣、水而產生。木材的生產循環週期從數十年到數百年,而各種紙製品的分解週期可以短至數年,同時回收再製的成本遠比塑膠為低,因此循環性遠較原油轉換為塑膠的週期循環為佳。

打破原本的單向旅程

要避免地球的原油蘊藏被徹底用罄,淪落為垃圾星球的命運,除了減少使用量,或是採用循環週期較短的其他如木纖維的材料外,科技顯然必須擔負起重要的使命。目前大致可以看到三個主要的創新方向:

一是降低塑膠品回收、再製、重新使用的成本。有一家由華人青年Miranda Wang創業的BioCellection,便發明了一個化學製程,可以將PE塑膠膜分解成簡單的液態分子成份,再製成尼龍等材料。但這家新創公司還在實驗室階段,真正挑戰在如何建立具有成本優勢的量產規模。

二是借重生物力量,開發各種酶素(enzyme),或是微生物菌種,加入吞食裂解塑膠成份的行列。跟前述化學製程比較,這些生物成份以陽光、空氣、和塑膠為食,加以適當的溫度和壓力,不需大量的資源或能源,便能分解頑固的塑膠材料,用以處理塑膠垃圾自然比化學方法理想,但瓶頸是分解的時間仍然過長。不過最近頻頻傳出令人振奮的報導,例如科學家已經發現一種被取名為PETase的酶素,可以將PET材料在幾天內分解成小分子。由於這些酶素還有優化的空間,未來發展令人期待。

而最理想的創新,是放棄塑膠,開發出截然不同的新材料,既具備塑膠的優勢,卻又有較短的自然分解週期。這當然不是一個新夢想,科學家經過數十年的耕耘,已經累積了可觀的知識,最大障礙是難以跟低成本的塑膠競爭。但隨著科技的持續進步,以及人類社會對塑膠問題的警覺,像Valerian MaterialsNatur-Tec這一類以研究為導向的新創公司,遲早會開發出具有突破性的創新。

還有哪些元素會絕種?

以上說明僅側重在從原油到塑膠的供應鏈。其實對地球上各種資源,包括週期表上的118種元素,甚至空氣、土地、水,各有其不同的原始蘊藏量、人類採掘消耗速度、循環週期和回收成本等系統特質。

例如銀是人類文明上歷史悠久的金屬,早期用在飾品、器件或錢幣,工業革命之後,被大量使用在攝影、印刷電路板、和各種導電材料上。因為單位價值高,回收容易,因此經過幾百年來重度的礦產開發,仍有相當的藏量。即便如此,科學家估計到2240年,地球上所有的銀礦都將被完全開採用盡。

如果在元素週期表上巡禮一番,在未來一百年內瀕臨「絕種」的元素包括: 氦(He),鋅( Zn), 鎵(Ga),鍺 (Ge),砷(As), 銀(Ag),銦(In), 碲(Te), 鉿(Hf)等9項元素。很難想像,當這些元素的地球存量見底,除外太空之外別無補充之道時,人類的物質文明會蛻化成什麼樣的風貌?

在過去200年科技萬能、資源無限的時代,人類對於物質抱持著生產—消費—拋棄的單向思維,人造的新產品、新材料每天誕生,至於它們的最終去向,無人過問,無人關心。

而在地球資源有限、終有枯竭之日的認知下,現代社會重新思考創新,何妨改弦易張,發展生產—消費—回收—再製的循環思維?商業價值的創造,為何不能從獎勵對稀少資源的爭取掠奪,轉為對過剩物質的處理和善用?材料創新的注意力,是否可以從材料的合成移轉部份到材料的分解?新產品的設計,不只重視「開箱體驗」(out-of-box experience),能否對如何善終也做一個體貼的交代?

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矽谷 Acorn Pacific Ventures 創投基金共同創辦人。職場生涯中一半台灣,一半矽谷,一半企業,一半創投。因創投業務廣泛接觸三江五湖能人志士,近距離觀察產業更迭,深刻感受到名與實,見與識,知與行的差距,無論創業或人生,真正成功的人都能縮短其中的差距。 著有《小國大想像》臉書專頁)及《錫蘭式的邂逅》二書。

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