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7大顛覆性技術(shù)破解能源危機(jī)
能源技術(shù)：
科學(xué)家和工程師們正在開發(fā)一系列看起來渺茫，卻有望徹底解決能源危機(jī)的新技術(shù)。
利用原本危險(xiǎn)的核廢料作燃料，建成一個(gè)核裂變反應(yīng)堆——它先由激光驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生核聚變爆炸，再由爆炸觸發(fā)裂變反應(yīng)，于是產(chǎn)生出一種新能量；而一種新的設(shè)備能將陽光和二氧化碳轉(zhuǎn)化為燃料，取代汽油。
一種將為制冷機(jī)帶來革命的磁體，以及能降低汽車油耗的記憶合金，將使能源利用率大幅提高。
也許這些新技術(shù)最終成功的可能性只有10%，但如果其中任何一種成為現(xiàn)實(shí)，能源利用率和安全水平就會(huì)得到極大提高。
許多人都在研究如何更有效地利用可再生能源及如何提高能源效率，這固然很好，然而，大多數(shù)研究成果可能只是對(duì)現(xiàn)有技術(shù)設(shè)備的一些有限改進(jìn)。我們需要從根本上徹底改變能源開發(fā)和利用的現(xiàn)狀。
多年來，科學(xué)家和工程師為我們構(gòu)想了一幅幅美妙畫面：太空中，衛(wèi)星吸收太陽光的能量，再將能量束傳導(dǎo)回地面上的接收站；飄浮在大氣層中的風(fēng)力發(fā)電機(jī)……然而，幻想總要落實(shí)到現(xiàn)實(shí)。最近一些可觀的政府或私人資金投入了這些研究，來幫助關(guān)鍵領(lǐng)域中各種各樣的長遠(yuǎn)技術(shù)研發(fā)。接下來介紹的這些項(xiàng)目，都是最有可能得到回報(bào)的范例。當(dāng)然，前提是它們的發(fā)明者能跨過重重障礙，并最終使科學(xué)成果投入大規(guī)模生產(chǎn)。
新反應(yīng)堆
以聚變觸發(fā)裂變
利用激光從核廢料中榨取電能
新反應(yīng)堆以聚變觸發(fā)裂變
自然界中，太陽的光和熱源自核聚變；氫彈的能量也來自核聚變。物理學(xué)家和工程師數(shù)十年來也一直在努力研究如何通過核聚變發(fā)電?，F(xiàn)在，研究人員能夠輕松制造出可控核聚變反應(yīng)——只要讓氫原子核足夠猛烈地碰撞壓縮到一起，它們就會(huì)融合，并釋放出中子和能量。然而，要讓核聚變用于發(fā)電，就必須做到更高效，以使反應(yīng)所釋放的能量大于觸發(fā)反應(yīng)（被稱為“點(diǎn)火”）所需的能量，這是科學(xué)界的一道難題。
因此，美國利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室國家點(diǎn)火裝置（National Ignition Facility）的科學(xué)家設(shè)計(jì)出一套新方案：用核聚變來驅(qū)動(dòng)裂變，利用原子分裂產(chǎn)生的能量來驅(qū)動(dòng)傳統(tǒng)核反應(yīng)堆。該實(shí)驗(yàn)室主任愛德華·摩西（Edward Moses）聲稱，利用這一機(jī)制運(yùn)作的實(shí)驗(yàn)性核電站有望在20年內(nèi)建成。
根據(jù)利弗莫爾實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)想，要先在一個(gè)反應(yīng)室的內(nèi)壁上排放一厚層鈾或其他核燃料，然后利用激光脈沖在反應(yīng)室內(nèi)觸發(fā)核聚變爆炸，放射出的中子轟擊到內(nèi)壁上的核燃料后，會(huì)使其中的原子分裂。這可以將反應(yīng)室的能量輸出提升3倍，甚至更多。
和平利用核聚變驅(qū)動(dòng)裂變概念的提出，要追溯到上世紀(jì)50年代。當(dāng)時(shí)，蘇聯(lián)的氫彈之父安德烈·薩哈羅夫（Andrei Sakharov）首次提出了這個(gè)設(shè)想。
既然大部分能量仍來自裂變，為什么不繼續(xù)使用傳統(tǒng)核電站，卻非要不厭其煩地研究由聚變來觸發(fā)呢？原因在于，裂變反應(yīng)堆要依賴于鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，即裂變的原子釋放出的中子會(huì)觸發(fā)更多原子發(fā)生裂變。想要維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的進(jìn)行，就必須用钚或濃縮鈾作為燃料，這兩種材料都能用于生產(chǎn)核武器。
而聚變—裂變混合反應(yīng)堆是由聚變爆炸產(chǎn)生的中子觸發(fā)裂變反應(yīng)，不再需要維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的進(jìn)行。這樣的設(shè)計(jì)擴(kuò)大了核燃料的選擇范圍，可以使用的燃料包括未濃縮的鈾、貧化鈾（來源豐富，濃縮鈾使用后的廢料），甚至其他核反應(yīng)堆產(chǎn)生的廢料——否則，這些廢料必須得貯存數(shù)千年，或者需要進(jìn)行復(fù)雜和危險(xiǎn)的再處理后，重新作為裂變電站的燃料。
另一個(gè)原因是燃耗。對(duì)傳統(tǒng)核反應(yīng)堆而言，燃料使用到必須被更換之前，可裂變原子中僅有一小部分發(fā)生了裂變。摩西介紹說，而聚變—裂變反應(yīng)堆能消耗掉核燃料的90%。因此，它的燃料需求量或許只是普通裂變反應(yīng)堆的1/20。這種反應(yīng)堆的使用壽命約為50年，其中最后十年被稱為“焚化”階段，在這一階段里，輸出電能逐漸減少，即使如此，它也能將約2 500千克的長半衰期核廢料消耗到只剩約100千克。
與此同時(shí)，研究人員也在進(jìn)行基于磁控核聚變的聚變—裂變設(shè)計(jì)，這是可控核聚變的另一種方式，利用超強(qiáng)磁場來約束聚變反應(yīng)。2009年，美國得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的科學(xué)家提出了一個(gè)帶有緊湊型磁控核聚變觸發(fā)裝置的混合反應(yīng)堆設(shè)計(jì)方案。中國的研究人員也正在評(píng)估關(guān)于優(yōu)化能量產(chǎn)生、傳統(tǒng)核反應(yīng)堆燃料生產(chǎn)，以及利用核廢料發(fā)電的設(shè)計(jì)方案。
以任何形式利用核聚變產(chǎn)生能量，都是很超前的設(shè)想。即便是摩西的實(shí)驗(yàn)室于今年成功實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火，這種混合核電站的一些主要技術(shù)障礙依然存在。例如，微小的、精細(xì)加工制成的聚變靶丸要能以可接受的成本量產(chǎn)；還需要一系列未經(jīng)檢驗(yàn)的新技術(shù)，來保證點(diǎn)火頻率達(dá)到每秒10次（目前“國家點(diǎn)火裝置”在一天內(nèi)命中靶丸的次數(shù)也沒幾次）。
制造混合反應(yīng)堆，還需要一些在純聚變裝置中用不到的技術(shù)。具體來說，就是裂變?nèi)剂蠈?，其中的燃料要能?jīng)受得住比傳統(tǒng)核反應(yīng)堆中高得多的溫度，以及猛烈得多的中子轟擊。候選設(shè)計(jì)包括從固態(tài)的多層“卵石”狀核燃料，到液態(tài)的、含釷、鈾或钚的熔融鹽。
這無疑是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，但摩西已經(jīng)設(shè)想好了一條雄心勃勃的研發(fā)路線來實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)。雖然，他們實(shí)驗(yàn)室的首要任務(wù)還是必須證明激光核聚變能夠點(diǎn)火成功。
液體太陽能燃料
用太陽光和二氧化碳來驅(qū)動(dòng)汽車
液體燃料太陽能燃料
太陽每一個(gè)小時(shí)照射到地球上的能量，就比人類一年消耗的能量還多。如果科學(xué)家能夠?qū)⑦^剩太陽能轉(zhuǎn)化為液體燃料，哪怕只是一小部分，就能解決我們對(duì)化石燃料的依賴，以及由此帶來的種種問題?！叭绻苡行?、經(jīng)濟(jì)地利用太陽能來制造化學(xué)燃料，就能徹底改變能源現(xiàn)狀，”美國加州理工學(xué)院人工光合作用聯(lián)合研究中心主任內(nèi)森？ 劉易斯（Nathan Lewis）評(píng)論說。
其中美國桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室（Sandia National Laboratories）開展的一項(xiàng)嘗試非常吸引人。他們在新墨西哥州的沙漠中安裝了一些直徑6米的圓盤狀鏡面，能將太陽光聚集到安放在盤面前方的一個(gè)半米長、形狀像啤酒桶的圓柱形儀器上。太陽光被這些鏡面聚焦后，從儀器表面的一個(gè)窗口射入，照射到里面12個(gè)以每分鐘一圈的速度旋轉(zhuǎn)的同軸圓環(huán)上。圓環(huán)的邊緣是以齒狀排列的氧化鐵（鐵銹）或氧化鈰，它們依次旋轉(zhuǎn)進(jìn)光束，并被加熱到1 500℃，如此高的溫度能驅(qū)出鐵銹里的氧。當(dāng)轉(zhuǎn)到反應(yīng)室較冷的暗處時(shí)，它們又能從注入反應(yīng)室里的水蒸氣或二氧化碳中把氧吸回去，剩下富含能量的氫氣和一氧化碳。
這樣產(chǎn)生的氫氣—一氧化碳混合氣體被稱為合成氣（syngas），它是化石燃料、化工原料甚至塑料在分子層面的基本原料。燃燒生成的合成氣所釋放的二氧化碳，還能被該過程全部吸收。美國高級(jí)研究計(jì)劃局能源項(xiàng)目部主任阿倫·麥琴達(dá)爾（Arun Majumdar）評(píng)論說，這種太陽能燃料系統(tǒng)“可謂一石四鳥”，即帶給我們更清潔的能源供應(yīng)，更高的能源保障，更低的二氧化碳排放和更小的氣候變化影響。
在其他地方，例如瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院（Swiss Federal Institute of Technology）和美國明尼蘇達(dá)大學(xué)，研究人員也在研發(fā)生產(chǎn)合成氣的設(shè)備。還有一些新興公司同時(shí)在尋求其他途徑來達(dá)到類似目標(biāo)，例如位于馬薩諸塞州的Sun Catalytix公司將一種廉價(jià)催化劑泡入水中，并利用太陽能電池板產(chǎn)生的電力，來制備氫和氧，新澤西州Liquid Light公司將二氧化碳?xì)怏w導(dǎo)入一種電化學(xué)反應(yīng)池來產(chǎn)生甲醇。此外，劉易斯本人也正在研制一種“人造樹葉”（參見《環(huán)球科學(xué)》2010年第11期《人造樹葉：陽光變?nèi)剂稀罚梢环N半導(dǎo)體納米線制成，能利用陽光將水分解成氫和氧。
當(dāng)然，主要困難還是在實(shí)際應(yīng)用上。在桑迪亞實(shí)驗(yàn)室，齒狀氧化物總是破裂，阻礙了反應(yīng)進(jìn)行?！澳阕專ㄑ趸铮┎牧显? 500℃和900℃之間來回轉(zhuǎn)，這對(duì)它們的要求很高，”亞利桑那州立大學(xué)LightWorks計(jì)劃主任、未參與該項(xiàng)研究的化學(xué)家加里·德克斯（Gary Dirks）評(píng)論說。下一步計(jì)劃是，在納米尺度上加固氧化物的結(jié)構(gòu)，或找到更合適的材料；圓盤狀鏡面的高昂造價(jià)也需要降低。根據(jù)桑迪亞實(shí)驗(yàn)室研究人員的計(jì)劃，他們的合成氣制造機(jī)能夠生產(chǎn)出成本為10美元/加侖（約2.65美元/升）的燃料。“我們并非做不到這一點(diǎn)，但我們還有很長的路要走?！被瘜W(xué)工程師詹姆斯？ E ？ 米勒（James E. Miller）說，他也是這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)明者之一。
電力生產(chǎn)
量子光電池
熱電子能讓太陽能電池的效率翻番
電力生產(chǎn)量子光電池
目前市場上的太陽能電池，只能將接收到的陽光能量的10%至15%轉(zhuǎn)化為電能，以致發(fā)電成本居高不下。原因之一是，單層硅吸收陽光的效率，理論上限大約是31%（實(shí)驗(yàn)室中最好的光電池可以達(dá)到26%）。而對(duì)半導(dǎo)體晶體（或稱為“量子點(diǎn)”）的新研究表明，這一理論上限可以提高到60%以上，這為開發(fā)低成本發(fā)電設(shè)備帶來了希望。
在傳統(tǒng)光電池中，硅中的電子被射入的光子擊出而成為自由電子，能夠自由地流入導(dǎo)線，從而產(chǎn)生電流。不幸的是，陽光中許多光子能量太高，當(dāng)它們擊打到硅上時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一種“熱電子”，它們會(huì)以熱的形式迅速損失能量，在被導(dǎo)線捕捉到之前又重新回到初始狀態(tài)。如果能在熱電子冷卻前就捕捉到它們，那么光電池的效率上限就會(huì)翻一番。
解決方案之一是降低電子的冷卻速度，為捕捉它們贏得更多時(shí)間。去年，美國得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的化學(xué)家朱曉陽（Xiaoyang Zhu，音譯）和同事將注意力投向了一種量子點(diǎn)，每一個(gè)點(diǎn)只包含數(shù)千個(gè)原子。他們將硒化鉛量子點(diǎn)沉積在一層導(dǎo)電的二氧化鈦（一種普通材料）上。當(dāng)光線照在上面時(shí)，所產(chǎn)生的熱電子損失能量所需的時(shí)間要比原先長了1 000倍。美國圣母大學(xué)（University of Notre Dame）的普拉山特·卡馬特（Prashant Kamat，未參與此項(xiàng)研究）評(píng)論道，朱曉陽的團(tuán)隊(duì)“確實(shí)證明了這一設(shè)想是可能實(shí)現(xiàn)的”。
然而，延緩電子能量損失僅僅是一個(gè)方面。目前，朱曉陽的團(tuán)隊(duì)正在尋找能讓導(dǎo)體將盡可能多的熱電子轉(zhuǎn)化為電流的方法，這樣，導(dǎo)體本身才不會(huì)將它們以熱量的形式吸收。
在最終得到實(shí)用的太陽能電池之前，還有許多困難需要克服。朱曉陽說，“我們需要建立一整套物理理論”，包括熱電子究竟如何冷卻，它們怎樣流入導(dǎo)體等等。他說：“一旦解決了所有這些問題，我們就會(huì)知道最終應(yīng)該使用什么材料?！?朱曉陽預(yù)計(jì)，這項(xiàng)工作“需要一些時(shí)間，但是我有信心取得成功。我希望看到這些新型太陽能電池板安裝在自家屋頂上” 。該項(xiàng)目的商業(yè)回報(bào)將十分可觀。
廢熱利用
熱力發(fā)電機(jī)
形狀記憶合金利用廢熱帶來額外能量
廢熱利用熱力發(fā)電機(jī)
在美國，人們消費(fèi)的能源中，有60%白白浪費(fèi)掉了，其中大部分以熱的形式從汽車排氣管和發(fā)電廠的煙囪中逃走。通用汽車公司的科學(xué)家正試圖利用一種被稱為“形狀記憶合金”（shape-memory alloys）的新型材料，來捕捉這些寶貴的能量。形狀記憶合金能將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，進(jìn)而產(chǎn)生電力。該研究組組長艾倫·布朗（Alan Browne）的第一個(gè)目標(biāo)是，回收汽車排氣系統(tǒng)中散發(fā)的熱能，驅(qū)動(dòng)車載空調(diào)或音響系統(tǒng)。
布朗計(jì)劃使用由數(shù)條平行的鎳—鈦合金薄線組成的合金帶來收集熱能，它能“記住”某種特定形狀。所有形狀記憶合金都能在兩種狀態(tài)之間來回變換：在較高溫度下較堅(jiān)硬的本態(tài)與較低溫度下更為柔韌的狀態(tài)。在這個(gè)設(shè)計(jì)中，合金帶繞過呈三角形排列的3個(gè)滑輪。其中一角處的合金帶接近熾熱的排氣系統(tǒng)，而另一角則位于溫度較低的遠(yuǎn)端。合金帶在高溫處收縮，低溫處伸張，就會(huì)讓自己沿這個(gè)三角環(huán)路轉(zhuǎn)動(dòng)并帶動(dòng)滑輪旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而通過軸承驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)。溫差越大，環(huán)路轉(zhuǎn)動(dòng)越快，產(chǎn)生的能量也就越多。
通用汽車公司制造的原型機(jī)由一條僅10克重的合金帶來產(chǎn)生兩瓦特功率，可以點(diǎn)亮一盞小燈。布朗聲稱，10年內(nèi)，這種發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的功率就會(huì)提高到商用的標(biāo)準(zhǔn)。他還補(bǔ)充說，為家用電器或發(fā)電廠冷卻塔安裝這種記憶合金熱力發(fā)電機(jī)，不存在任何技術(shù)障礙。該項(xiàng)目的合作者、美國HRL實(shí)驗(yàn)室的材料科學(xué)家杰夫·麥克奈特（Geoff McKnight）說，這種合金為先前被認(rèn)為是無法實(shí)現(xiàn)的一些應(yīng)用領(lǐng)域開辟了新天地，因?yàn)榧词箿夭钪挥?0℃，它們也可以使用。
通用汽車公司的設(shè)計(jì)并不復(fù)雜，但離實(shí)用仍很遙遠(yuǎn)。形狀記憶合金容易疲勞，會(huì)變得脆而易碎；需要連續(xù)處理3個(gè)月才能重新回到“本態(tài)”的形狀記憶；合金線很難組合成帶；如何解決利用空氣來有效加熱和冷卻合金帶也是一個(gè)挑戰(zhàn)。布朗沒有具體說明目前如何解決這些問題，而只提到他們不斷調(diào)整合金線的直徑、形狀，以及加熱和冷卻的方式。換句話說，他們正在調(diào)試“科學(xué)上的和人能想象得到的”所有參數(shù)。
通用汽車公司并不是唯一一家試圖利用廢熱來產(chǎn)生能量的機(jī)構(gòu)。美國伊利諾伊大學(xué)的桑吉夫·辛哈（Sanjiv Sinha）正在研發(fā)一種可彎曲的固態(tài)材料，它也能將熱力轉(zhuǎn)化為電能。如果熱力發(fā)電機(jī)能被安裝在現(xiàn)有或未來的設(shè)備中，它就會(huì)有近乎無限的應(yīng)用前景：從數(shù)千座的冷卻塔和工業(yè)鍋爐，到數(shù)以百萬計(jì)的家用暖氣、冰箱和煙囪，還有拖拉機(jī)、卡車、火車和飛機(jī)。全世界會(huì)有數(shù)百億億焦耳的能量可以被回收利用，極大降低化石燃料的消耗。
車輛工程
沖擊波汽車發(fā)動(dòng)機(jī)
汽車油耗將降低80%
車輛工程沖擊波汽車發(fā)動(dòng)機(jī)
一個(gè)多世紀(jì)以來，幾乎所有轎車和卡車都使用的是活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)。即便是目前最新型的混合動(dòng)力車，以及雪佛蘭沃爾特電動(dòng)車這樣的全新概念車，也都還在使用小型活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)來提供動(dòng)力和為電池充電。然而，美國密歇根州立大學(xué)正在研發(fā)一種完全不同的、不使用活塞的發(fā)動(dòng)機(jī)。它被稱為波—轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)（wave-disk engine）或沖擊波發(fā)動(dòng)機(jī)（shock-wave engine）。如果取得成功，未來混合動(dòng)力汽車的油耗就能降低80%。
密歇根州立大學(xué)機(jī)械工程教授諾伯特·穆勒（Norbert Müller）是發(fā)明者之一，他說，這種緊湊型發(fā)動(dòng)機(jī)僅有家用蒸鍋大小，需要的部件也比活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)少得多。這種發(fā)動(dòng)機(jī)將不再需要活塞、連桿和汽缸。重量的減輕和燃油效率的提高“能在消耗同樣數(shù)量燃料的前提下，讓一輛裝備再生制動(dòng)裝置的插電式混合動(dòng)力車的行駛距離增加4倍，相應(yīng)的二氧化碳排放量也會(huì)減少80%”。不僅如此，該系統(tǒng)還能使制造成本降低30%。
在位于美國東蘭辛的實(shí)驗(yàn)室里，穆勒和他的研究組正在測試一部波—轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)原型。他們的目標(biāo)是，制造出一臺(tái)25千瓦（33馬力）功率發(fā)動(dòng)機(jī)。他希望首臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)能量轉(zhuǎn)化效率可達(dá)30%左右，而目前最好的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)所能達(dá)到的效率是45%。但是，他對(duì)改進(jìn)型發(fā)動(dòng)機(jī)能夠?qū)⑿侍嵘?5%持樂觀態(tài)度。
在傳統(tǒng)電火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)中，火花塞引燃汽缸中汽油和空氣的混合物，來推進(jìn)活塞驅(qū)動(dòng)曲柄軸，曲柄軸再帶動(dòng)車輪旋轉(zhuǎn)。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)是通過活塞來高度壓縮燃料和空氣，將它們點(diǎn)燃。燃燒的氣體膨脹，將活塞推回去，進(jìn)而帶動(dòng)曲柄軸。
在波—轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中，產(chǎn)生動(dòng)力的過程是在一個(gè)旋轉(zhuǎn)的渦輪中進(jìn)行的。渦輪就像平放在桌面上的電腦風(fēng)扇（轉(zhuǎn)子），有許多彎曲的葉片和外殼。壓縮后的高溫空氣和燃料經(jīng)過位于中央的軸，被導(dǎo)入葉片之間的空隙。當(dāng)高度壓縮的混合氣體被點(diǎn)燃時(shí)，燃燒的氣體在有限空間里急速膨脹而形成沖擊波，壓縮剩余部分的空氣；從外殼上反射回來的沖擊波也會(huì)進(jìn)一步壓縮和加熱空氣。最后，經(jīng)過壓縮和加熱的氣體會(huì)在恰當(dāng)時(shí)機(jī)通過外殼釋放出去。壓縮氣體在彎曲的葉片上施加的力，和氣體噴射產(chǎn)生的力一起，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動(dòng)曲柄軸。
據(jù)波—轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的另一發(fā)明人，波蘭華沙科技大學(xué)（Warsaw University of Technology）的副教授雅努什·皮埃切納（Janusz Piechna）介紹說，從1906年起，工程師們就開始研究波—轉(zhuǎn)子裝置了，而且它們已經(jīng)被用在了一些賽車的增壓器里。但是，穆勒說，里面不穩(wěn)定的氣流非常難控制。要想預(yù)測這些間歇性氣流極其復(fù)雜的非線性行為，需要進(jìn)行精細(xì)的數(shù)值計(jì)算，這類計(jì)算一直都因?yàn)樘^費(fèi)時(shí)或不夠精確而無法達(dá)到要求，該問題直到近幾年才得以解決。目前，密歇根州立大學(xué)和其他一些研究機(jī)構(gòu)正通過高仿真模擬，來輔助葉片幾何形狀的精密設(shè)計(jì)，以及精確到零點(diǎn)幾秒的燃燒時(shí)間控制，期望得到最佳性能。
計(jì)算機(jī)模型能否最終變成在路上跑的實(shí)際產(chǎn)品，我們還不得而知?！安āD(zhuǎn)子技術(shù)的應(yīng)用可能會(huì)很困難，”丹尼爾·E·帕克森（Daniel E. Paxson）說，他在美國航空航天局戈蘭研究中心（NASA Glenn Research Center）從事流體模型設(shè)計(jì)。帕克森認(rèn)為，密歇根州立大學(xué)的研究 “毫無疑問是超前了”。他的評(píng)論既包含著務(wù)實(shí)的懷疑，更有從創(chuàng)新角度的贊賞?！盁o論最終的結(jié)果是什么，我確信他們都會(huì)學(xué)到很多”。
穆勒相信，他的研究組最終能制造出合適的波—轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)，并將它們成功應(yīng)用于更清潔的混合動(dòng)力車上，從小型摩托車到家用轎車和運(yùn)輸卡車，他對(duì)此似乎毫不懷疑。“這只是時(shí)間、努力和想象力的問題，當(dāng)然，還有資金問題”。
人們消費(fèi)的能源中，有60%白白浪費(fèi)掉了，其中大部分以熱的形式從汽車排氣管和發(fā)電廠的煙囪中逃走。通用汽車公司的科學(xué)家正試圖利用一種被稱為“形狀記憶合金”（shape-memory alloys）的新型材料，來捕捉這些寶貴的能量。形狀記憶合金能將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，進(jìn)而產(chǎn)生電力。該研究組組長艾倫·布朗（Alan Browne）的第一個(gè)目標(biāo)是，回收汽車排氣系統(tǒng)中散發(fā)的熱能，驅(qū)動(dòng)車載空調(diào)或音響系統(tǒng)。
布朗計(jì)劃使用由數(shù)條平行的鎳—鈦合金薄線組成的合金帶來收集熱能，它能“記住”某種特定形狀。所有形狀記憶合金都能在兩種狀態(tài)之間來回變換：在較高溫度下較堅(jiān)硬的本態(tài)與較低溫度下更為柔韌的狀態(tài)。在這個(gè)設(shè)計(jì)中，合金帶繞過呈三角形排列的3個(gè)滑輪。其中一角處的合金帶接近熾熱的排氣系統(tǒng)，而另一角則位于溫度較低的遠(yuǎn)端。合金帶在高溫處收縮，低溫處伸張，就會(huì)讓自己沿這個(gè)三角環(huán)路轉(zhuǎn)動(dòng)并帶動(dòng)滑輪旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而通過軸承驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)。溫差越大，環(huán)路轉(zhuǎn)動(dòng)越快，產(chǎn)生的能量也就越多。
通用汽車公司制造的原型機(jī)由一條僅10克重的合金帶來產(chǎn)生兩瓦特功率，可以點(diǎn)亮一盞小燈。布朗聲稱，10年內(nèi)，這種發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的功率就會(huì)提高到商用的標(biāo)準(zhǔn)。他還補(bǔ)充說，為家用電器或發(fā)電廠冷卻塔安裝這種記憶合金熱力發(fā)電機(jī)，不存在任何技術(shù)障礙。該項(xiàng)目的合作者、美國HRL實(shí)驗(yàn)室的材料科學(xué)家杰夫·麥克奈特（Geoff McKnight）說，這種合金為先前被認(rèn)為是無法實(shí)現(xiàn)的一些應(yīng)用領(lǐng)域開辟了新天地，因?yàn)榧词箿夭钪挥?0℃，它們也可以使用。
通用汽車公司的設(shè)計(jì)并不復(fù)雜，但離實(shí)用仍很遙遠(yuǎn)。形狀記憶合金容易疲勞，會(huì)變得脆而易碎；需要連續(xù)處理3個(gè)月才能重新回到“本態(tài)”的形狀記憶；合金線很難組合成帶；如何解決利用空氣來有效加熱和冷卻合金帶也是一個(gè)挑戰(zhàn)。布朗沒有具體說明目前如何解決這些問題，而只提到他們不斷調(diào)整合金線的直徑、形狀，以及加熱和冷卻的方式。換句話說，他們正在調(diào)試“科學(xué)上的和人能想象得到的”所有參數(shù)。
通用汽車公司并不是唯一一家試圖利用廢熱來產(chǎn)生能量的機(jī)構(gòu)。美國伊利諾伊大學(xué)的桑吉夫·辛哈（Sanjiv Sinha）正在研發(fā)一種可彎曲的固態(tài)材料，它也能將熱力轉(zhuǎn)化為電能。如果熱力發(fā)電機(jī)能被安裝在現(xiàn)有或未來的設(shè)備中，它就會(huì)有近乎無限的應(yīng)用前景：從數(shù)千座的冷卻塔和工業(yè)鍋爐，到數(shù)以百萬計(jì)的家用暖氣、冰箱和煙囪，還有拖拉機(jī)、卡車、火車和飛機(jī)。全世界會(huì)有數(shù)百億億焦耳的能量可以被回收利用，極大降低化石燃料的消耗。
車輛工程
沖擊波汽車發(fā)動(dòng)機(jī)
汽車油耗將降低80%
車輛工程沖擊波汽車發(fā)動(dòng)機(jī)
一個(gè)多世紀(jì)以來，幾乎所有轎車和卡車都使用的是活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)。即便是目前最新型的混合動(dòng)力車，以及雪佛蘭沃爾特電動(dòng)車這樣的全新概念車，也都還在使用小型活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)來提供動(dòng)力和為電池充電。然而，美國密歇根州立大學(xué)正在研發(fā)一種完全不同的、不使用活塞的發(fā)動(dòng)機(jī)。它被稱為波—轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)（wave-disk engine）或沖擊波發(fā)動(dòng)機(jī)（shock-wave engine）。如果取得成功，未來混合動(dòng)力汽車的油耗就能降低80%。
密歇根州立大學(xué)機(jī)械工程教授諾伯特·穆勒（Norbert Müller）是發(fā)明者之一，他說，這種緊湊型發(fā)動(dòng)機(jī)僅有家用蒸鍋大小，需要的部件也比活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)少得多。這種發(fā)動(dòng)機(jī)將不再需要活塞、連桿和汽缸。重量的減輕和燃油效率的提高“能在消耗同樣數(shù)量燃料的前提下，讓一輛裝備再生制動(dòng)裝置的插電式混合動(dòng)力車的行駛距離增加4倍，相應(yīng)的二氧化碳排放量也會(huì)減少80%”。不僅如此，該系統(tǒng)還能使制造成本降低30%。
在位于美國東蘭辛的實(shí)驗(yàn)室里，穆勒和他的研究組正在測試一部波—轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)原型。他們的目標(biāo)是，制造出一臺(tái)25千瓦（33馬力）功率發(fā)動(dòng)機(jī)。他希望首臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)能量轉(zhuǎn)化效率可達(dá)30%左右，而目前最好的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)所能達(dá)到的效率是45%。但是，他對(duì)改進(jìn)型發(fā)動(dòng)機(jī)能夠?qū)⑿侍嵘?5%持樂觀態(tài)度。
在傳統(tǒng)電火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)中，火花塞引燃汽缸中汽油和空氣的混合物，來推進(jìn)活塞驅(qū)動(dòng)曲柄軸，曲柄軸再帶動(dòng)車輪旋轉(zhuǎn)。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)是通過活塞來高度壓縮燃料和空氣，將它們點(diǎn)燃。燃燒的氣體膨脹，將活塞推回去，進(jìn)而帶動(dòng)曲柄軸。
在波—轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中，產(chǎn)生動(dòng)力的過程是在一個(gè)旋轉(zhuǎn)的渦輪中進(jìn)行的。渦輪就像平放在桌面上的電腦風(fēng)扇（轉(zhuǎn)子），有許多彎曲的葉片和外殼。壓縮后的高溫空氣和燃料經(jīng)過位于中央的軸，被導(dǎo)入葉片之間的空隙。當(dāng)高度壓縮的混合氣體被點(diǎn)燃時(shí)，燃燒的氣體在有限空間里急速膨脹而形成沖擊波，壓縮剩余部分的空氣；從外殼上反射回來的沖擊波也會(huì)進(jìn)一步壓縮和加熱空氣。最后，經(jīng)過壓縮和加熱的氣體會(huì)在恰當(dāng)時(shí)機(jī)通過外殼釋放出去。壓縮氣體在彎曲的葉片上施加的力，和氣體噴射產(chǎn)生的力一起，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動(dòng)曲柄軸。
據(jù)波—轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的另一發(fā)明人，波蘭華沙科技大學(xué)（Warsaw University of Technology）的副教授雅努什·皮埃切納（Janusz Piechna）介紹說，從1906年起，工程師們就開始研究波—轉(zhuǎn)子裝置了，而且它們已經(jīng)被用在了一些賽車的增壓器里。但是，穆勒說，里面不穩(wěn)定的氣流非常難控制。要想預(yù)測這些間歇性氣流極其復(fù)雜的非線性行為，需要進(jìn)行精細(xì)的數(shù)值計(jì)算，這類計(jì)算一直都因?yàn)樘^費(fèi)時(shí)或不夠精確而無法達(dá)到要求，該問題直到近幾年才得以解決。目前，密歇根州立大學(xué)和其他一些研究機(jī)構(gòu)正通過高仿真模擬，來輔助葉片幾何形狀的精密設(shè)計(jì)，以及精確到零點(diǎn)幾秒的燃燒時(shí)間控制，期望得到最佳性能。
計(jì)算機(jī)模型能否最終變成在路上跑的實(shí)際產(chǎn)品，我們還不得而知。“波—轉(zhuǎn)子技術(shù)的應(yīng)用可能會(huì)很困難，”丹尼爾·E·帕克森（Daniel E. Paxson）說，他在美國航空航天局戈蘭研究中心（NASA Glenn Research Center）從事流體模型設(shè)計(jì)。帕克森認(rèn)為，密歇根州立大學(xué)的研究 “毫無疑問是超前了”。他的評(píng)論既包含著務(wù)實(shí)的懷疑，更有從創(chuàng)新角度的贊賞?！盁o論最終的結(jié)果是什么，我確信他們都會(huì)學(xué)到很多”。
穆勒相信，他的研究組最終能制造出合適的波—轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)，并將它們成功應(yīng)用于更清潔的混合動(dòng)力車上，從小型摩托車到家用轎車和運(yùn)輸卡車，他對(duì)此似乎毫不懷疑?！斑@只是時(shí)間、努力和想象力的問題，當(dāng)然，還有資金問題”。
家用電器
磁體制冷機(jī)
能為冰箱和房間制冷的特殊合金
家用電器磁體制冷機(jī)
在日常生活中，我們通常使用空調(diào)、冰箱和冰柜來制冷，但它們都需要能量驅(qū)動(dòng)，所消耗的電能占到美國家庭耗電量的1/3。而一項(xiàng)依賴于磁體的全新制冷技術(shù)，能顯著降低這部分能耗。
大多數(shù)商業(yè)化制冷機(jī)，都是通過反復(fù)壓縮和膨脹氣體或液體制冷劑來制冷。隨著制冷劑的循環(huán)，能將熱量從房間或設(shè)備中吸出帶走。然而，壓縮機(jī)的能耗巨大，并且要是最常用的那些制冷氣體泄漏出去的話，它們的每一個(gè)分子對(duì)大氣層的加熱效率要比一個(gè)二氧化碳分子至少高1 000倍。
美國宇航公司（Astronautics Corporation of America）的研究人員正在研發(fā)一種不使用壓縮機(jī)，而是基于磁體的新型制冷機(jī)。從某種程度上來說，所有磁性材料都會(huì)在被置入磁場后升溫，在移出磁場后降溫，這一特性被稱為“磁致熱效應(yīng)”（magnetocaloric effect）。原子通過自身振動(dòng)貯存能量；而當(dāng)外加磁場將金屬中的電子有序排列，并阻止它們自由移動(dòng)時(shí)，金屬原子的振動(dòng)就會(huì)加強(qiáng)，溫度隨之增加。移除磁場后，溫度則會(huì)降低。雖然這一效應(yīng)早在1881年就被發(fā)現(xiàn)，但它的商用價(jià)值卻一直被人忽視。這是因?yàn)?，從理論上來說，只有在極低的溫度下使用超導(dǎo)磁體，才能將這種效應(yīng)最大化到產(chǎn)生可利用的效果。然而在1997年，美國能源部愛艾姆斯實(shí)驗(yàn)室（U.S. Department of Energy’s Ames Laboratory）的材料科學(xué)家偶然發(fā)現(xiàn)，一種由釓、硅和鍺構(gòu)成的合金能在室溫下顯示出巨大的磁致熱效應(yīng)。自那時(shí)起，美國宇航公司還陸續(xù)把注意力集中在具有同樣性質(zhì)的其他合金上。
目前，美國宇航公司正在設(shè)計(jì)一種空調(diào)，目標(biāo)是為面積約100平方米的公寓或住宅制冷。這種空調(diào)里有一個(gè)小而平的、由某種此類合金制成的多孔楔形體構(gòu)成的圓盤。在圓盤兩側(cè)，固定著一個(gè)環(huán)形永磁體。磁體中空，里面分布著強(qiáng)磁場。當(dāng)圓盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，每一個(gè)磁致熱楔形體會(huì)通過這個(gè)通道而升溫，然后繼續(xù)轉(zhuǎn)出磁場范圍而冷卻。在系統(tǒng)內(nèi)部循環(huán)的液體被這些旋轉(zhuǎn)的楔形體反復(fù)加熱和冷卻，冷卻后的液體就能從房間中吸走熱量。精心設(shè)計(jì)的磁體能夠防止磁場從設(shè)備中溢出，所以它不會(huì)影響到附近的電子儀器或人身上的心臟起搏器。
在傳統(tǒng)制冷機(jī)中，核心部件是壓縮機(jī)。而在磁體制冷機(jī)中，核心部件是帶動(dòng)圓盤旋轉(zhuǎn)的馬達(dá)，而馬達(dá)通常要比壓縮機(jī)的能量效率高得多。美國宇航公司的目標(biāo)是在2013年制造出一臺(tái)原型機(jī)，能在達(dá)到同樣制冷能力的情況下將耗電量降低1/3。磁體制冷機(jī)還有一個(gè)額外的顯著優(yōu)點(diǎn)：它只是用水來輸送熱量，“你沒法找到比水更環(huán)保的材料了，”美國宇航公司技術(shù)中心經(jīng)理史蒂文·雅各布斯（Steven Jacobs）說。
但是別說把這項(xiàng)技術(shù)實(shí)際應(yīng)用于冰箱和冰柜，即便是僅僅制作一臺(tái)原型機(jī)，也需要跨過許多障礙。首先，如何控制水流通過多孔的楔形體就是個(gè)棘手的問題，因?yàn)閳A盤要以每分鐘360~600轉(zhuǎn)的速度高速旋轉(zhuǎn)。此外，磁體由一種昂貴的釹—鐵—硼合金制成，因此，如果要想商業(yè)化生產(chǎn)，在仍能保持提供足夠強(qiáng)磁場的前提下盡可能小型化也是必要的。正如加拿大維多利亞大學(xué)（University of Victoria）的機(jī)械工程師安德魯·羅（Andrew Rowe）所說：“這是一項(xiàng)高風(fēng)險(xiǎn)技術(shù)，但它有巨大的應(yīng)用潛力，而且就其突出的性能而言，也值得去努力?！?/p>
研究人員還在試驗(yàn)其他一些特殊制冷技術(shù)。美國Sheetak公司，正在研發(fā)一種完全不使用制冷劑的制冷設(shè)備，它依賴于一種所謂的“熱電材料”（thermoelectric material），充電時(shí)，這種材料的一面變冷，而另一面變熱。不管怎樣，降低燃料消耗和減少溫室氣體排放總會(huì)為我們帶來一個(gè)清涼的世界。
排放處理
更清潔的煤炭
用鹽來吸收火電廠排放的碳
排放處理更清潔的煤炭
煤炭是美國最便宜、最豐富的能源，但由于含碳量最高，它也是引起氣候變化的主要原因。工程師設(shè)計(jì)出了多種途徑和方法，以在火力發(fā)電廠排放廢氣前清除掉其中的二氧化碳，但這么做的最大問題是，這些工序會(huì)消耗煤炭燃燒所產(chǎn)生能量的30%，讓所謂的“可清潔燃燒煤炭”概念難以令人信服。
然而，清除廢氣中二氧化碳的設(shè)想確實(shí)令人向往，所以，美國能源部高級(jí)研究計(jì)劃局能源項(xiàng)目部以及其他一些機(jī)構(gòu)，一直都在為此類可能降低該工序能耗的研究提供資金支持。
其中，美國圣母大學(xué)能源中心（University of Notre Dame’s Energy Center）的一種設(shè)計(jì)尤其引人注目，他們使用了一種被稱為“離子液體”（ionic liquid，本質(zhì)就是一種鹽）的新型材料。這種材料的第一個(gè)好處是，它所能吸收二氧化碳的量，兩倍于其他化學(xué)結(jié)構(gòu)類似的碳吸收材料。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，在吸收過程中，這種鹽會(huì)經(jīng)歷一個(gè)從固態(tài)到液態(tài)的相變，這種變化釋放的熱量能被回收利用，將碳從液體中汲出，便于后續(xù)處置。
“我們的模型顯示，應(yīng)該能將（除碳工序的）能耗降低到22%或23%，” 能源中心主任、化學(xué)工程師瓊·F·布倫內(nèi)克（Joan F. Brennecke）說，“我們希望最終能降低到15%?！彼难芯繄F(tuán)隊(duì)正在制造一個(gè)實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的裝置來演示這項(xiàng)技術(shù)。
這一技術(shù)聽起來還只是個(gè)理論設(shè)想，事實(shí)上也的確如此。“這是一個(gè)全新的概念，”布倫內(nèi)克承認(rèn)，“因?yàn)檫@些材料完全是最新的，”它們出現(xiàn)只有短短兩年。布倫內(nèi)克的研究團(tuán)隊(duì)的工作也才剛剛起步，無法預(yù)料的困難可能隨時(shí)出現(xiàn)。即便這一過程在實(shí)驗(yàn)室里被證明是成功的，把它的規(guī)模放大到能應(yīng)用于發(fā)電廠的級(jí)別，或許也不可行。
另外，如果碳汲取過程確實(shí)有效，收集到的碳又該如何存放？科學(xué)家眼中的最佳解決辦法是將它們注入地下多孔的巖石結(jié)構(gòu)中，即所謂的“封存”（sequestration），這種方式已經(jīng)過實(shí)地檢驗(yàn)，但還缺乏大規(guī)模應(yīng)用的驗(yàn)證（參見《環(huán)球科學(xué)》2000年第10期《埋葬二氧化碳》）。另一種離實(shí)用更遙遠(yuǎn)的概念是，將二氧化碳與硅酸鹽混合，即人為復(fù)制自然界中二氧化碳被束縛進(jìn)碳酸鹽巖石的過程，使它喪失活性。
除了以上提到的這些困難，那些在煤礦開采和處理毒煤灰過程中的健康和環(huán)境威脅，都會(huì)讓環(huán)保人士一聽到“清潔煤炭”四個(gè)字就火冒三丈。
工商網(wǎng)監(jiān)
評(píng)論