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改变世界的能源科学:从富兰克林到马斯克

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电

在电的发展史上,科学和科学家有多重要?人类对电的理解是基于有史以来最惊人的科学发现,这是电与其他传统能源的一个区别。这不是说科学对石油、煤炭和天然气不重要,而是说科学研究在电的历史中占据了非常重要的地位,这是其他传统能源所不具备的特点。

爱因斯坦说过,电不仅仅是 19 世纪和 20 世纪科学发现道路上的一站,对电的研究本身就是一条科学发现之路。因此,人们对电力领域的科学发现寄予了更大的希望。

发挥科学和科学家的力量

回溯历史,我们知道电力领域的第一波科学发现是在富兰克林时代,富兰克林、法拉第和麦克斯韦都对此做出了贡献。但在今天,讨论电力行业的文献资料不计其数,却鲜少有人提到科学发现,就好像所有开创性的科学发现都已经穷尽,再也无法掀起新一轮的发现浪潮。毫无疑问,事实并非如此。当我们面对美国日益增长的能源消耗和对环境可持续发展的担忧时,我们不能想当然地认为科学这口深井已经干涸。无论在过去还是现在,科学对于电力行业来说都非常重要,我们必须重拾对科学的关注和兴趣。

早在19世纪,目光远大、勤奋钻研的科学家,比如法拉第和麦克斯韦,已经开辟了一条道路。他们告诉我们,只需推拉线圈中的磁体就可以产生电流。通过燃烧煤炭、焚烧垃圾、控制核反应等一系列方法产生的蒸汽,可以产生推拉磁体所需的机械动力。用压缩天然气驱动燃气涡轮机的方法人们已经驾轻就熟,并且得到了广泛的应用。推拉磁体也可以借助其他的力来完成,比如风、海浪或河流的力量。

有人认为,旧的技术也可以玩出新的花样。这里所说的旧技术指的是核能,新花样则是指建造小型反应堆。2011 年,芝加哥大学通过一项建设性研究,谨慎地阐明了建造小型模块化反应堆的好处。该研究认为,核能最大的好处是没有碳排放,而且可以大规模建造。但研究者坦承,小型模块化反应堆面临着诸如“安全、防止扩散、废料管理和经济竞争力”等方面的一系列难题。

有的技术易于理解,也可以应用,但解释起来有点儿难度,比如太阳能光伏发电和燃料电池等技术。太阳能光伏发电技术能把光转换成原子层级的电能,这项技术会让我们想起爱因斯坦,因为他就是凭借光电效应方面的研究获得诺贝尔物理学奖的。太空计划利用这项技术为航天器提供动力,这是该技术的首次正式应用。太阳能光伏发电也需要用到计算机中的半导体材料,事实上,太阳能光伏发电技术与计算机科学之间的联系,正是人们乐观地认为它可以大幅提升效能、降低成本的原因之一。

燃料电池在将氢和氧结合成水的同时产生电能,即电“流”。由于这是一种化学反应,它几乎不会产生燃烧化石燃料时产生的空气污染物排放,所以这是燃料电池最具吸引力的特点之一。不过,燃料电池对排放(包括温室气体排放)的总体影响,主要取决于氢的来源。燃料电池的另一个吸引人的特点在于,它们可以堆叠,以满足任何规模的电力需求。相较而言,燃料电池的劣势是成本比较高。

在第二次电力系统之争中,光电和燃料电池可能都是重要的棋子。其中一个原因是,从规模的角度看,两者都可以用作个人能源。另一个原因是,设备在制造的过程中有可能大幅提升效能、降低成本。规模经济对制造业有效,但对发电厂无效。

新科学是新技术的核心

以新材料石墨烯为例。2010年的诺贝尔物理学奖被授予安德烈·盖姆(Andre Geim)和康斯坦丁·诺沃肖洛夫(Konstantin Novoselov),因为他们完成了“石墨烯的制备、分离、鉴定与表征”。石墨烯是只有一个原子厚度的碳。瑞典皇家科学院评价碳是“元素周期表中最迷人的元素”,石墨是碳的常见形式,铅笔芯中就含有石墨。瑞典皇家科学院说,任何用过铅笔的人,都“可能在不知情的情况下制造出类似石墨烯的材料”。这两位诺奖得主也在论文中宣称,石墨烯“表现出大量新的物理特性和潜在应用”。

对人类而言,电力技术的潜在应用才是最重要的。曼彻斯特大学请人们“想象在几秒钟内给智能手机充满电,或者在几分钟内给一辆电动汽车充满电,将会是一种什么感觉。石墨烯就有这样的能力”。此外,“石墨烯薄膜可以帮我们从大气中过滤出氢气,这可能为空气发电铺平道路”。

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