液體太陽(yáng)能燃料

　　用太陽(yáng)光和二氧化碳來(lái)驅(qū)動(dòng)汽車(chē)

　　液體燃料太陽(yáng)能燃料

　　太陽(yáng)每一個(gè)小時(shí)照射到地球上的能量，就比人類(lèi)一年消耗的能量還多。如果科學(xué)家能夠?qū)⑦^(guò)剩太陽(yáng)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(lái)的種種問(wèn)題?！叭绻苡行?、經(jīng)濟(jì)地利用太陽(yáng)能來(lái)制造化學(xué)燃料，就能徹底改變能源現(xiàn)狀，”美國(guó)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(shuō)。

　　其中美國(guó)桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Sandia National Laboratories）開(kāi)展的一項(xiàng)嘗試非常吸引人。他們?cè)谛履鞲缰莸纳衬邪惭b了一些直徑6米的圓盤(pán)狀鏡面，能將太陽(yáng)光聚集到安放在盤(pán)面前方的一個(gè)半米長(zhǎng)、形狀像啤酒桶的圓柱形儀器上。太陽(yáng)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(chēng)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(guò)程全部吸收。美國(guó)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(shuō)，這種太陽(yáng)能燃料系統(tǒng)“可謂一石四鳥(niǎo)”，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(guó)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(lái)達(dá)到類(lèi)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(yáng)能電池板產(chǎn)生的電力，來(lái)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(lái)產(chǎn)生甲醇。此外，劉易斯本人也正在研制一種“人造樹(shù)葉”（參見(jiàn)《環(huán)球科學(xué)》2010年第11期《人造樹(shù)葉：陽(yáng)光變?nèi)剂稀罚?，它由一種半導(dǎo)體納米線制成，能利用陽(yáng)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。“你讓?zhuān)ㄑ趸铮┎牧显? 500℃和900℃之間來(lái)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(shuō)。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(pán)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(zhǎng)的路要走?！被瘜W(xué)工程師詹姆斯？ E ？ 米勒（James E. Miller）說(shuō)，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(yáng)能電池的效率翻番

　　電力生產(chǎn)量子光電池

　　目前市場(chǎng)上的太陽(yáng)能電池，只能將接收到的陽(yáng)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(yáng)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(chēng)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(kāi)發(fā)低成本發(fā)電設(shè)備帶來(lái)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(yáng)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(guó)得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的化學(xué)家朱曉陽(yáng)（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(zhǎng)了1 000倍。美國(guó)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(yáng)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(yáng)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(yáng)能電池之前，還有許多困難需要克服。朱曉陽(yáng)說(shuō)，“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?cè)鯓恿魅雽?dǎo)體等等。他說(shuō)：“一旦解決了所有這些問(wèn)題，我們就會(huì)知道最終應(yīng)該使用什么材料?！?朱曉陽(yáng)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(yáng)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(lái)額外能量

　　廢熱利用熱力發(fā)電機(jī)

　　在美國(guó)，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(chē)排氣管和發(fā)電廠的煙囪中逃走。通用汽車(chē)公司的科學(xué)家正試圖利用一種被稱(chēng)為“形狀記憶合金”（shape-memory alloys）的新型材料，來(lái)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(zhǎng)艾倫·布朗（Alan Browne）的第一個(gè)目標(biāo)是，回收汽車(chē)排氣系統(tǒng)中散發(fā)的熱能，驅(qū)動(dòng)車(chē)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(lái)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(lái)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(guò)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(guò)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(chē)公司制造的原型機(jī)由一條僅10克重的合金帶來(lái)產(chǎn)生兩瓦特功率，可以點(diǎn)亮一盞小燈。布朗聲稱(chēng)，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(shuō)，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(guó)HRL實(shí)驗(yàn)室的材料科學(xué)家杰夫·麥克奈特（Geoff McKnight）說(shuō)，這種合金為先前被認(rèn)為是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的一些應(yīng)用領(lǐng)域開(kāi)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(chē)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(lái)有效加熱和冷卻合金帶也是一個(gè)挑戰(zhàn)。布朗沒(méi)有具體說(shuō)明目前如何解決這些問(wèn)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(shuō)，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(chē)公司并不是唯一一家試圖利用廢熱來(lái)產(chǎn)生能量的機(jī)構(gòu)。美國(guó)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(lái)的設(shè)備中，它就會(huì)有近乎無(wú)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(wàn)計(jì)的家用暖氣、冰箱和煙囪，還有拖拉機(jī)、卡車(chē)、火車(chē)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。