“未来10年,从太阳获取燃料的主要技术障碍有望取得突破。”美国劳伦斯·伯克利国家实验室主任朱棣文去年8月2日在国会作报告谈如何从太阳获取燃料的———
美国劳伦斯·伯克利国家实验室主任朱棣文
当今世界面临能源问题和气候变暖问题,美国能源部所属的劳伦斯·伯克利国家实验室在面对国家和世界需求时,全力投入太阳能开发,策划启动Helios(太阳神)计划。
Helios计划目前正考虑通过四种途径实现从阳光中获取燃料,其中两种是基于活性生物系统,另两种则为人造系统,涉及到光合成、纳米技术及光电化学等学科和工程领域的交叉。这些领域一旦取得突破,将带来极为可观和长期的利益。据悉,美国国会已同意对Helios计划拨款4亿美元。———编者
我很高兴在关系到美国和世界的一个如此关键而重要的问题作出决定前,再次到国会科学委员会作证。在上一次作证时,我曾提供给各位供讨论的由美国科学委员会、美国工程院和21世纪医学委员会等联合提交的报告“:超越大风暴———为美国更光明的经济未来而努力”。
目前我正作为科学协会联盟可持续能源转换研究委员会的共同主席[科学协会联盟(Inter Academy Council)是由世界各国科学院聚集全球最好的科学家和工程师给各国政府和非政府机构提供高质量建议的机构;可持续能源转换研究委员会所提交的报告是希望给政策制定者们一个可充分供给、可持续和清洁能源供应的科学建议]。委员会的另一位共同主席Jose Goldemberg是巴西政府前科技部长和环境部长,他也是一位可持续能源专家,曾领导了巴西的甘蔗能源计划。委员会给我列了当今世界面临的各种能源挑战和机遇。我们最终的报告应该在2007年初完成,一经付印,我会尽快将文本送到各位手中。
今天,我期待着与各位分享科学的进展,特别是劳伦斯·伯克利实验室在这方面的进展。此刻我们正在做的事情将会给正在发生的世界范围的能源与环境挑战带来希望。
挑战与机遇
有一个共识,即人类正面临能源和环境危机。全球的能源使用已经达到这样的临界点:人类消耗能源带来的副产品已经显著影响着我们这个星球的大气和气候。专家们预测,人类获得可持续能源的能力越来越强烈地制约着经济和技术的发展。受强烈需求驱动,以及受“大风暴”报告的鼓舞,及总统领导的美国竞争力委员会与先进能源倡议和能源部的新研究资助机遇,吸引了众多学科领域的科学家和工程师及研究机构的兴趣,试图创新性地发展能源研究的新方法。这也正是伯克利实验室正在做的事情。
科学共同体已在试图找到可再生能源方面作了几十年的努力。现在是否有任何理由可以相信问题正在趋于解决?答案是肯定的。近来科学和技术方面的主要进步已经戏剧性地展示了解决这些技术问题的前景。由国会Honda众议员强烈支持、投资上亿的国家纳米技术倡议,如今已在材料的合成和控制方面得到戏剧性的进步。基因组领域的大规模进步导致了整个基因组的测序工作,类似的还有合成生物学的新领域,伯克利实验室在这些科学新领域中也是起着领头人的作用。
Helios计划
要回答国会和政府有关发现新的清洁能源的质询,我可以列举伯克利实验室正在从事的新的名为Helios的计划。该计划的目标是向太阳要能源,借助阳光开发可再生和可持续供应的能源。
虽然眼下我们并没有所谓的解决能源问题的“魔弹”,但我们相信,利用太阳能将是减少化石能源依赖的不二选择。以Helios为例,我在下面的陈述里,将描述令人激动的新科技机遇,正是这些科技进步得以使得研究人员能够应对所遇到的障碍,开发出可持续利用的替代能源。
Helios的最终目标,简而言之,就是利用阳光来产生动力燃料。动力燃料将成为太阳能中最值钱、最有价值的一种。Helios计划意识到达到这一目标有多种路径,为此所需要的材料和技术攻关,又将促进其他太阳能技术的进步。例如,一种利用光生伏打捕获阳光的方法以后被用在了光电电池上,这种光电电池将二氧化碳和水转换成液体燃料或氢。科学家和工程师们将合作制造出效率更高、更经济的光生伏打系统和电化学系统。这些新系统的任何一种对其他清洁能源的实现路径及其独一无二的过程都将带来巨大裨益。
如Helios这样的综合性且加速推进的科技开发计划,有可能带来巨大的进展。与当年贝尔实验室开发晶体管非常相似,Helios将得到有序的管理以确保整个过程实现技术目标。由于调度资源的能力,聚焦科学研究的能力,以及能构建多学科的研究队伍,类似国家实验室这样的独特组织架构能应对如能源危机这样的挑战。伯克利实验室之所以能适应挑战,也是基于我们在生物和化学系统研究的多年积累,如合成光学以及在纳米技术和合成生物学方面的工作。
即使如此,需要解决的科学问题和有待克服的技术挑战是如此之多,我们需要和其他实验室、大学以及商业机构合作,才能确保将科学和技术成果成功转移到市场。
四种实现路径
Helios计划的目标是提供一种革命性的方法,据此人们可以最大限度地获取太阳能,这是一种能满足人类绝大部分需要的能源。上图显示的是Helios计划从阳光到燃料的四种实现途径:两种是基于活性生物系统,另两种则为人造系统。Helios计划的一大优势是所有的过程和研究途径都能紧密整合。以下,我们对四种途径逐一作了分析,以确定其现状、需求及我们面临的主要障碍,以及克服这些障碍带来的益处。
途径一:经由生物质将阳光转成燃料
生物质是地球上最为丰富的可再生的碳源,而且长期以来一直是人类最主要的燃料。虽然生物质均有能满足绝大部分的动力需求的潜在可能,但要实现利用生物质生产燃料,还需克服一些障碍。首要问题是现有的农作物生物质离最佳能-水产率相距甚远;其二是将生物质转换成燃料的成本高昂以及效率低下。Helios计划将应对这两大问题。
从阳光到燃料的四种实现途径
目前作为动力燃料的乙醇其基本来源为甘蔗和玉米。可能我们会找到一种方法来创建某种“产能”植物,通过导入基因可使这种植物自我繁育、抗旱和抗虫。能有效产能的这种作物也可充分利用美国大农业的有利条件。此外,通过设计微生物,我们的科学家希望将纤维素更有效地转化为化学燃料,以更经济地获得生物质燃料并使整个过程呈碳中性状态。
途径二:采用光合成法合成微生物生物燃料
另一种方法是越过过渡生物质,利用光合成的微生物,直接从阳光制取燃料。这一模式利用了大自然的提纯机制。尽管自然状态下,微生物和植物也能利用阳光直接形成石油和酒精,但其量完全不足以应付美国能源需要。现在需要优化大自然的这一燃料制作过程。伯克利实验室在光合成领域有其专长,能源部的基因组研究所和伯克利的基因组研究人员可以为此作出贡献。
途径三:光到电:纳米技术生成太阳能电池
太阳能利用有多种可能的途径。然而,所有已知的潜在途径如今都受限于两大障碍:一是太阳能收集、高效处理和对所获得的能量处理均有赖于全新和最优化的材料;其二是由于昼夜、季节和其他变化因素,太阳能的利用涉及到有效的储存策略。Helios计划将从基本的科学层面开发出克服这些难关的技术。
由于光转换成电的基本步骤在纳米尺度上不是涉及生物途径就是涉及非生物途径,所以在纳米尺度上出现的控制和模拟方法,对太阳能电池而言将带来巨大的可能性。随着新的基于纳米技术的太阳能电池的出现,有可能戏剧性地扩增太阳能电池的效能;价廉而大容量的太阳能制造技术将成为可能。通过控制尺寸、样式、规模以及纳米尺度构件的连接性能,有可能控制系统的基本能级,新的太阳能电池样式的设计亦成为可能。
途径四:通过光化学或光电化学,直接将太阳能转换成燃料
自然界的光合成机制提示,太阳能燃料能在单一装置中直接通过化学方法转换制得,但制作过程中的能量和生物质的消耗非常大。此项研究的目标是开发一种单一的装置,该装置能模仿自然界植物从水和阳光中获取能量的路径,而又比自然过程更稳定且有效。伴随着新的纳米结构的无机、有机和生物、非生物复合材料的快速涌现,近年来人们在理解自然光合成设计原理方面也不断有新的认识,这为在工程水平上开发太阳能燃料系统提供了可能。这一途径将在许多方面带来极可观且长期的利益,但是要实现其目标需要克服的困难也最多。
交叉领域
除了这四个途径,Helios计划还提出了涉及基本科学和工程的交叉领域。这些领域一旦取得突破将惠及以上一个或几个途径。这里所说的交叉领域包括:催化、分离、理论、合成生物学和制造。
例如,正在兴起的合成生物学就是一个将对Helios计划和其他可替代能源研究计划的不可或缺的关键角色。2003年7月,伯克利实验室建立了世界上首个合成生物学研究机构,其使命是了解和设计生物系统及其组成,以应对自然发生机制不能解决的一系列问题。目前领导这一团队的是加州大学伯克利分校和劳伦斯·伯克利实验室的教授科学家Jay Keasling,作为合成生物学的领军者,他也是Helios计划的领导者之一。
作为Helios计划的重要组成,合成生物学的首要作用是,创建可跨越整个Helios计划的生物学构件。例如,这一方法将使得利用快速、可复制的工程化电池将可再生的资源(阳光、纤维素、淀粉和木质素)转换成燃料成为可能。
这一跨学科研究的目标是:1,在基本了解基础上,开发一种标准的、可相互交换的生物构件(部件、装置和底盘),以使我们能按常规构建大量的有用的生物系统;2,开发能组织和分析数据、预测生物学组分行为的数学模式和计算方法,设计新的生物组分和大型集成系统;3,采用最新的分子仿型技术来更好地理解生物系统并利用其功能。
Helios计划何时出成果?
Helios计划聚焦于革命性的研究方法来达到目标。任何计划都是存在风险的,但是在做出周到安排后,实现可持续的能源供应计划的可能性是很大的。我们不知道哪一种方法或研究计划的价值更高,收效更快。所以我们给出我们的管理方案和一种能对新情况和新结果作出回应的柔性系统。
我们意识到时间表是基本的。为了确保Helios计划及时见效,我们已经采取了一些积极的管理策略。每一途径的技术需求及已知的主要障碍已经明确列出。这些都将每年检查二次。Helios计划的审查人被要求开发核心研究领域,而且要对四个途径中的至少一个有直接的贡献。随着计划的推进,将精力集中在这些最受关注的方向上是可能的。作为一个严密管理的项目,Helios计划在未来5年内在一些特定的方面(如改善光生伏打和找到更好的粉碎纤维素的办法)将产生一系列的进展,而在未来10年内将围绕目标在主要方面取得突破性进展。我们相信现在正是实施Helios计划的合适时机。
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什么是“Helios”计划
Helios———赫利俄斯,希腊神话中的太阳之神,是传说中高大魁伟、英俊无须的美男子,身披紫袍、头戴光芒万丈的金冠,每天驾驶着四马金车从东到西,晨出晚没,克服中途所遇到的各种艰难险阻,为大地上的所有生物送去光明和温暖。
美国劳伦斯·伯克利国家实验室以“Helios”命名的能源研究计划,目标就是提供一种革命性的方法,使人们可以最大限度地获取太阳能,借助阳光开发可再生和可持续供应的能源。
Helios计划将通过4种途径,使阳光转化为动力燃料,其中两种是基于活性生物系统,另两种则为人造系统。其优势是所有的过程和研究途径都能紧密整合,而这些新系统的任何一种对其他清洁能源的实现及独一无二的过程,都将带来巨大的裨益。