全球7大前沿技術，讓太陽能電池效率翻番？

　　7大顛覆性技術破解能源危機

　　能源技術：

　　科學家和工程師們正在開發一系列看起來渺茫，卻有望徹底解決能源危機的新技術。

　　利用原本危險的核廢料作燃料，建成一個核裂變反應堆——它先由激光驅動產生核聚變爆炸，再由爆炸觸發裂變反應，于是產生出一種新能量；而一種新的設備能將陽光和二氧化碳轉化為燃料，取代汽油。

　　一種將為制冷機帶來革命的磁體，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。

　　也許這些新技術最終成功的可能性只有10%，但如果其中任何一種成為現實，能源利用率和安全水平就會得到極大提高。

　　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，大多數研究成果可能只是對現有技術設備的一些有限改進。我們需要從根本上徹底改變能源開發和利用的現狀。

　　多年來，科學家和工程師為我們構想了一幅幅美妙畫面：太空中，衛星吸收太陽光的能量，再將能量束傳導回地面上的接收站；飄浮在大氣層中的風力發電機……然而，幻想總要落實到現實。最近一些可觀的政府或私人資金投入了這些研究，來幫助關鍵領域中各種各樣的長遠技術研發。接下來介紹的這些項目，都是最有可能得到回報的范例。當然，前提是它們的發明者能跨過重重障礙，并最終使科學成果投入大規模生產。

　　新反應堆

　　以聚變觸發裂變

　　利用激光從核廢料中榨取電能

　　新反應堆以聚變觸發裂變

　　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。物理學家和工程師數十年來也一直在努力研究如何通過核聚變發電。現在，研究人員能夠輕松制造出可控核聚變反應——只要讓氫原子核足夠猛烈地碰撞壓縮到一起，它們就會融合，并釋放出中子和能量。然而，要讓核聚變用于發電，就必須做到更高效，以使反應所釋放的能量大于觸發反應（被稱為“點火”）所需的能量，這是科學界的一道難題。

　　因此，美國利弗莫爾國家實驗室國家點火裝置（National Ignition Facility）的科學家設計出一套新方案：用核聚變來驅動裂變，利用原子分裂產生的能量來驅動傳統核反應堆。該實驗室主任愛德華·摩西（Edward Moses）聲稱，利用這一機制運作的實驗性核電站有望在20年內建成。

　　根據利弗莫爾實驗室的構想，要先在一個反應室的內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室內觸發核聚變爆炸，放射出的中子轟擊到內壁上的核燃料后，會使其中的原子分裂。這可以將反應室的能量輸出提升3倍，甚至更多。

　　和平利用核聚變驅動裂變概念的提出，要追溯到上世紀50年代。當時，蘇聯的氫彈之父安德烈·薩哈羅夫（Andrei Sakharov）首次提出了這個設想。

　　既然大部分能量仍來自裂變，為什么不繼續使用傳統核電站，卻非要不厭其煩地研究由聚變來觸發呢？原因在于，裂變反應堆要依賴于鏈式反應，即裂變的原子釋放出的中子會觸發更多原子發生裂變。想要維持鏈式反應的進行，就必須用钚或濃縮鈾作為燃料，這兩種材料都能用于生產核武器。

　　而聚變—裂變混合反應堆是由聚變爆炸產生的中子觸發裂變反應，不再需要維持鏈式反應的進行。這樣的設計擴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），甚至其他核反應堆產生的廢料——否則，這些廢料必須得貯存數千年，或者需要進行復雜和危險的再處理后，重新作為裂變電站的燃料。

　　另一個原因是燃耗。對傳統核反應堆而言，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生了裂變。摩西介紹說，而聚變—裂變反應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堆的1/20。這種反應堆的使用壽命約為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，研究人員也在進行基于磁控核聚變的聚變—裂變設計，這是可控核聚變的另一種方式，利用超強磁場來約束聚變反應。2009年，美國得克薩斯大學奧斯汀分校的科學家提出了一個帶有緊湊型磁控核聚變觸發裝置的混合反應堆設計方案。中國的研究人員也正在評估關于優化能量產生、傳統核反應堆燃料生產，以及利用核廢料發電的設計方案。

　　以任何形式利用核聚變產生能量，都是很超前的設想。即便是摩西的實驗室于今年成功實現點火，這種混合核電站的一些主要技術障礙依然存在。例如，微小的、精細加工制成的聚變靶丸要能以可接受的成本量產；還需要一系列未經檢驗的新技術，來保證點火頻率達到每秒10次（目前“國家點火裝置”在一天內命中靶丸的次數也沒幾次）。

　　制造混合反應堆，還需要一些在純聚變裝置中用不到的技術。具體來說，就是裂變燃料層，其中的燃料要能經受得住比傳統核反應堆中高得多的溫度，以及猛烈得多的中子轟擊。候選設計包括從固態的多層“卵石”狀核燃料，到液態的、含釷、鈾或钚的熔融鹽。

　　這無疑是一個巨大的挑戰，但摩西已經設想好了一條雄心勃勃的研發路線來實現這個目標。雖然，他們實驗室的首要任務還是必須證明激光核聚變能夠點火成功。

　　液體太陽能燃料

　　用太陽光和二氧化碳來驅動汽車

　　液體燃料太陽能燃料

　　太陽每一個小時照射到地球上的能量，就比人類一年消耗的能量還多。如果科學家能夠將過剩太陽能轉化為液體燃料，哪怕只是一小部分，就能解決我們對化石燃料的依賴，以及由此帶來的種種問題。“如果能有效、經濟地利用太陽能來制造化學燃料，就能徹底改變能源現狀，”美國加州理工學院人工光合作用聯合研究中心主任內森？ 劉易斯（Nathan Lewis）評論說。

　　其中美國桑迪亞國家實驗室（Sandia National Laboratories）開展的一項嘗試非常吸引人。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，從儀器表面的一個窗口射入，照射到里面12個以每分鐘一圈的速度旋轉的同軸圓環上。圓環的邊緣是以齒狀排列的氧化鐵（鐵銹）或氧化鈰，它們依次旋轉進光束，并被加熱到1 500℃，如此高的溫度能驅出鐵銹里的氧。當轉到反應室較冷的暗處時，它們又能從注入反應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。美國高級研究計劃局能源項目部主任阿倫·麥琴達爾（Arun Majumdar）評論說，這種太陽能燃料系統“可謂一石四鳥”，即帶給我們更清潔的能源供應，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，例如瑞士聯邦理工學院（Swiss Federal Institute of Technology）和美國明尼蘇達大學，研究人員也在研發生產合成氣的設備。還有一些新興公司同時在尋求其他途徑來達到類似目標，例如位于馬薩諸塞州的Sun Catalytix公司將一種廉價催化劑泡入水中，并利用太陽能電池板產生的電力，來制備氫和氧，新澤西州Liquid Light公司將二氧化碳氣體導入一種電化學反應池來產生甲醇。此外，劉易斯本人也正在研制一種“人造樹葉”（參見《環球科學》2010年第11期《人造樹葉：陽光變燃料》），它由一種半導體納米線制成，能利用陽光將水分解成氫和氧。

　　當然，主要困難還是在實際應用上。在桑迪亞實驗室，齒狀氧化物總是破裂，阻礙了反應進行。“你讓（氧化物）材料在1 500℃和900℃之間來回轉，這對它們的要求很高，”亞利桑那州立大學LightWorks計劃主任、未參與該項研究的化學家加里·德克斯（Gary Dirks）評論說。下一步計劃是，在納米尺度上加固氧化物的結構，或找到更合適的材料；圓盤狀鏡面的高昂造價也需要降低。根據桑迪亞實驗室研究人員的計劃，他們的合成氣制造機能夠生產出成本為10美元/加侖（約2.65美元/升）的燃料。“我們并非做不到這一點，但我們還有很長的路