新世紀的物理學如何應對能源和環(huán)境問題(Ⅰ)可再生與可持續(xù)能源篇(下)

作者簡介:歐陽鐘燦,理論物理學家,1968年畢業(yè)于清華大學自動化系,1984年獲得博士學位,1997年當選中國科學院院士,2003年當選第三世界科學院院士。擔任中國博士后科學基金會理事會副理事長,北京市科協(xié)常務理事,中國物理學會常務理事、液晶物理分會會長,國際刊物International Journal of Modern Physics B,Journal of Computational and Theoretical Nan science, SoftMaterial以及 Electronic Communication of Liquid Crystals的編委。他在軟凝聚態(tài)物理、統(tǒng)計物理等領域作出了多項貢獻, 在國際著名刊物發(fā)表論文100多篇,出版英文專著l部 Geometric Method in the Elastic Theory in Liquid crystal Phases (合著),并將其擴增為中文版《生物膜泡曲面彈性理論》。

2008年以來國際物理學界與能源問題有關的動向

英國《物理世界》評出2008年物理學界月度12件大事;

物理學家朱棣文被任命為美國能源部部長;

美國物理聯(lián)合會(AIP)出版研究雜志《可再生與可持續(xù)能源雜志》。

物理學從IT到ET是否真代表21世紀物理學的研究大方向?物理學是否真能作為解決能源和氣候問題的帶頭學科?從2008年以來與物理學界有關的幾個動向可以給出正面的回答。

英國《物理世界》評出2008年物理學界月度12件大事,有肯定也有批評的,如四月:英國科學與技術設施委員會(STFC)受到批評;五月:頂級物理學家轉(zhuǎn)移陣地,如霍金接受了加拿大PI的一份兼職工作;都是屬于批評的。但兩件與能源問題有關的都是正面的,如二月:從人的運動中獲取能量,報道了2個非常獨特的裝置能夠從人的運動中獲取能量,英屬哥倫比亞西蒙弗雷澤大學Max Donelan和同事介紹了他們發(fā)明的發(fā)電裝置——膝行拉條(knee brace),他們表示這一裝置功率只有5瓦特。同時美國佐治亞理工學院王中林小組展示了一種織物,如果用于長途旅行者的褲子中的話,能夠產(chǎn)生足夠的電能來為手機充電。十二月:奧巴馬任命物理學家為政府官員,新當選總統(tǒng)奧巴馬的表現(xiàn)讓許多物理學家和環(huán)境保護主義者感到高興,他任命諾貝爾獎得主朱棣文為能源部部長。朱棣文曾因在用激光冷卻捕獲原子方面的貢獻贏得了諾貝爾獎,并且堅定地認為人類行為改變了氣候。朱棣文肯定,可發(fā)展不產(chǎn)生大規(guī)模溫室氣體的能源。奧巴馬也任命了物理學家John Holdren做總統(tǒng)科學顧問。Holdren是環(huán)境政策教授,也是哈佛大學肯尼迪政治學院科學和技術規(guī)劃及國家政策主管,他同時也是林洞研究中心(Woods Hole Research Center)主管。這兩項任命都表明奧巴馬想要關注科學,尤其是與氣候變化和其他環(huán)境問題。奧巴馬表示:“科學從沒有像今天這樣,成為了我們星球存在和國家安全、繁榮的關鍵?！?/p>

物理學家朱棣文被任命為美國能源部部長,說明在應對氣候、能源問題,不單是氣象局或石油煤礦部門、能源局的問題,而是要從基礎研究入手,具有全新思維,多學科合作的科學問題。因此作為物質(zhì)科學的帶頭學科,物理學有義不容辭的責任。朱棣文自從2004年出任能源部所屬的勞倫斯?伯克萊國家實驗室主任以來,一方面鼓勵科學家致力于替代能源的研究,開發(fā)降低溫室氣體排放的技術,另一方面積極推動與工業(yè)界的合作,石油巨擘英國石油公司(BP)就出資5億美元資助該國家實驗室(BP也與中國科學院大連化學物理研究所在能源研究方面有合作)。朱棣文在接受提名能源部長時說:“我們總是說‘等到完全確定時再開口。但是在環(huán)境問題上,等到你確定時,卻為時已晚?，F(xiàn)在,大多數(shù)人寧可花1000美元修一個大理石廚臺,也不愿用這筆錢來改善廚房的能源利用效率?！睂τ跒楹芜M行工作轉(zhuǎn)型,他說:“開始的時候我只是作為一個公民對這個問題感興趣。但是我逐漸看到氣候變化的后果是多么危險。作為一個科學家,一個負責任的科學家,我們必須思考我們做什么才能改變這一局面?！彼粌H反對化石燃料的濫用,甚至對某些新能源也提出了批評。

美國物理聯(lián)合會(AIP)2009年一月正式出版研究雜志《可再生與可持續(xù)能源雜志》(JRSE)(http://jrse.aip.org)。在創(chuàng)刊號,兩位主編發(fā)文指出,雖然目前再生能源占全世界使用能源不足1%,但大家認識到,能源供應的獨立性關系到國家安全,為減少重要原油的消耗,降低全球氣候變暖的有害性,我們必須強烈提高使用再生能源的信心,這是21世紀最重要的挑戰(zhàn)之一。有的媒體宣傳傾向發(fā)展其它不算是嚴格的可再生能源,如核能等。但我們還是提倡使用可持續(xù)的、無害的、不引起氣候突然變化的能源。對此,我們不能再有平常的生意經(jīng),問題是如此的復雜,我們只有用交叉的辦法來解決。因此,出版一份有關這個問題的所有科學與工程概念的雜志不僅是適時而且是必需的?；谶@么寬廣的定義,這份雜志的成功將取決于眾多科學與工程交叉領域的作者、讀者以及編者的貢獻。目前,這個新雜志涉及的領域包括:生物能、地熱能、礦物與水電能、核能、太陽能、風能、能的轉(zhuǎn)換、節(jié)能建筑、能的儲存、電力輸送、再生能源的評估與運輸,但暫時不涉及能源政策,生物燃料(Biofuels,指曾經(jīng)為活質(zhì)的燃料,如煤),生物煉制燃料(Biorefining,如玉米油),清潔化石燃料(Clean fossil fuels),以及雜化可再生能源。煤與石油被排除在外是理所當然,近代經(jīng)濟高速發(fā)展,我們不僅用掉了祖先們省吃儉用積累的這兩種能源,而且預支了屬于我們子孫后代應有的部份。2007年諾貝爾和平獎的獲得者,美國原副總統(tǒng)阿?戈爾在2008年11月9日紐約時報上的文章——《變革的大氣候正在形成》,在提出了美國應如何應對金融經(jīng)濟海嘯具體方案的同時,嚴厲地批評了用“更昂貴和更骯臟的方案來增加石油產(chǎn)量,如煤變油,從頁巖中取油,用瀝青沙煉油,和所謂的‘清潔煤的技術”。戈爾認為,“上面的每一種方案不是太貴,就是嚴重污染?！备隊柹踔翆ⅰ皾崈裘骸背鉃椤爸恢\私利”和“自我欣賞”的技術。

雖然,經(jīng)評審發(fā)表的論文不包括這些業(yè)已清楚不應再受青睞的能源,但有關能源政策,全世界媒體對能源問題的報道卻可以在網(wǎng)上雜志附帶的其它欄目:Top Stories、Most Recent Related Articles和Energy Related News and Media Articles查閱。筆者曾對照查閱國內(nèi)有關媒體,如新華社、人民網(wǎng)、科學網(wǎng)有關能源,特別是可再生能源的國外報道,發(fā)現(xiàn)都可在這個新雜志上述附加欄目一網(wǎng)打盡。特別是,這個雜志還附有博客,提供作者、讀者、以及編者的直接討論,這將是科學雜志都可能要發(fā)展的新模式。這個雜志由AIP出版,表明物理學是真正能作為解決能源和氣候問題的帶頭學科。

2008年國際上可再生和可持續(xù)能源進展

在JRSE(http://jrse.aip.org)的Energy Related News and Media Articles欄目載有一篇Kevin Bullis在《技術評論》 雜志(2009年1月5日)寫的文章——“The Year in Energy”大概能比較權(quán)威地把2008年的可再生和可持續(xù)能源進展展現(xiàn)出來。這篇文章一開頭就告誡可再生和可持續(xù)能源的改革派千萬不要為今年石油價格的回落亂了軍心而重復1980年代的復轍。下面是該文列出的進展及筆者的點評:

在風能發(fā)電方面的進展。發(fā)表在2月8日Phys. Rev. Lett.的一篇文章研究了鯨魚的鰭狀肢的空氣動力學,證實仿造鯨魚的鰭狀肢來制造風機的葉片有利提高發(fā)電效率;加拿大ExRo Tech公司設計了一款可在很廣風速變化而保持效率的風機,使得發(fā)電平均效率提高50%;美國FloDesine Wind Turbine公司發(fā)明了一種新的風力發(fā)動機可以使風力發(fā)電成本降低一半。顯然,物理的流體力學、空氣動力學在此大有用場。

在電動車方面的進展。Tone Chemical公司、ExxoMobil Chemical公司的子公司發(fā)明了一種鋰離子電池電極隔板的高分子添加材料,造出了不會爆炸的鋰離子電池,這個發(fā)明的意義可與2006年蘋果、戴爾兩大電腦公司緊急召回數(shù)百萬臺筆記本電腦事件聯(lián)系起來;Better Place公司開始在以色列與丹麥建立一個雄心勃勃的電動車電池充、換網(wǎng)站計劃,他們計劃與雷諾公司生產(chǎn)電動汽車配合,在以色列50萬個路口安裝充、換站,達到每6個停車場一個,在丹麥也大約這個規(guī)模。澳大利亞、美國加州、夏威夷也宣布有該公司的計劃,但愿最近的金融危機不要危及這些計劃,這樣普及電動汽車,對節(jié)約石油,最現(xiàn)實的第一步就有可能很快實現(xiàn)。在上面兩個普及電動車的瓶頸技術中,材料科學、凝聚態(tài)物理、統(tǒng)計物理都有用武之地。

太陽能利用方面的進展。麻省理工學院(MIT)的 Marc Baldo等在Science 發(fā)表的一個實驗結(jié)果——在玻璃板鍍上高效吸收不同波長太陽光的有機染料的玻璃板做集光器,染料吸收光后會發(fā)出光并投射到玻璃板上的硅太陽電池單元,大大降低普通用曲面鏡與透鏡及機械跟蹤系統(tǒng)做集光器的成本,使這種電池板發(fā)電能像用煤發(fā)電一樣便宜。MIT另一家名為1366的技術公司科學家最近發(fā)明了提高多晶硅太陽能電池效率27%,其3項關鍵的發(fā)明之一是在電池表面增加紋理從而增加光線在硅板里停留的時間。多晶硅太陽能電池要比昂貴的單晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率低,但要便宜許多,27%的效率提升意味著可以較低的成本生產(chǎn)出與單晶硅太陽能電池效率相當?shù)亩嗑Ч杼柲茈姵亍Ｄ壳暗奶柲茈姵孛慨a(chǎn)生1瓦的電能,需要2.1美元,1336的目標是,開始1.65美元/瓦,今后為1.30美元/瓦,在2012年左右達到1美元/瓦,與煤炭發(fā)電競爭。“水+光=油”,同樣是在MIT,化學家Daniel Nocera利用植物光合作用的方法,找到一種便宜的染料催化劑使水在光照下分解成氧氣與氫氣,達到儲備太陽能的方法。盡管大家把新一代的太陽能電池寄托在硅太陽電池的進化:如有機薄膜太陽能電池(原理同有機EL,即OLED),特別是染料敏化太陽能電池(DSC)。但從2008年上述進展來看,硅太陽電池仍然有許多潛力可挖,主要是在集光器的研究上,中國科學技術大學陳應天提出的4倍體碗型集光器是一種宏觀幾何處理,而上述兩款則深入到納米幾何及分子光物理性質(zhì),代表更先進可行的方向。如華人科學家Peng Jiang等在硅材料上模擬了飛蛾眼睛不反光的結(jié)構(gòu)特性,從而為解決由光線反射造成的太陽能電池效率損失開辟了新的思路,該工作發(fā)表在《應用物理快報》(APL)及JRSE創(chuàng)刊號上。過去為半導體集成電路發(fā)展起來的薄膜、表面物理、分子光學物理在太陽能利用方面是大有作為的。

可再生能源的生命線。K. Bullis認為如果沒有一個智能化大型的輸電網(wǎng)絡,風能與太陽能發(fā)電成不了大氣侯。他介紹了位于原東柏林Vattenfall風力/火力聯(lián)合變電站的經(jīng)驗。德國是全世界使用風力發(fā)電最多的國家,風電達到22250兆瓦,約合22個煤火力電廠,可滿足全德6%的電力供應,Vattenfall風力/火力聯(lián)合變電站,控制了41%全德的風力發(fā)電量。電站的工程師每天都得根據(jù)氣象預報計算每天應關閉的火力電廠,歐盟委員會已決定到2030年將把北海和波羅德海地區(qū)另外25000兆瓦的風力發(fā)電加給德國。電網(wǎng)越大,過載導致的全面停電風險越大,如1965年北美大停電。德國的可再生能源發(fā)電已達到14%,這對美國造成了壓力,新任總統(tǒng)奧巴馬已計劃在任內(nèi)把美國的可再生能源發(fā)電從現(xiàn)在的1%提高到10%,到2025達到25%。而首當其沖就是智能化大型的輸電網(wǎng)絡的建造問題,因為美國并沒有德國現(xiàn)在具有的舉國體制。這也是為什么JRSE要把電力輸送列入可再生能源的基本研究領域,這也是近年發(fā)展起來復雜網(wǎng)絡統(tǒng)計物理的應用領域。

沙漠中沒有汽車的零排放城市。2008年5月阿布扎比(阿拉伯聯(lián)合酋長國之一)計劃建立一個世界目前最大的可再生能源實驗城,將有50000個居民與1500個生意人,第一個建筑群是一個研究所,將被建成中東的硅谷,不過它的研究領域不但是IT還包括ET(可再生能源)。該城市計劃用220億美元把所有的房頂與墻面都覆蓋薄膜太陽能電池,全市交通都用無人駕駛的電池供電的電動車。

總之,2008年世界可再生能源的進展形勢令人鼓舞,雖然席卷全球的金融危機給這種形勢帶來不安的陰影,但為抵擋這個危機,加大可再生能源的研發(fā)投入未必非明智之舉。因此,可以期望,2009年的可再生能源的發(fā)展形勢是機遇與挑戰(zhàn)并存,物理學從IT到ET此其時也。

(欄目編輯廖伯琴)