能源與空間：應(yīng)用領(lǐng)域

劉怡

商業(yè)航天

若從可操作性角度看，類似科幻影視劇《星際旅行》中的“企業(yè)號(hào)”星艦這樣的航天器在今天尚無實(shí)現(xiàn)的可能。1973年最后一次載人登月之旅結(jié)束后，各國(guó)宇航員還沒有飛出過距地球600公里以上的區(qū)域。參與過NERVA研發(fā)項(xiàng)目的NASA科學(xué)家萊斯·約翰遜認(rèn)為，最早要到100年之后，當(dāng)人類已經(jīng)擁有了可控聚變核反應(yīng)堆、面積足夠大的太陽帆，對(duì)月球進(jìn)行了深度開發(fā)并在近地軌道建立起工業(yè)基地之后，才能奢望跨越星際。

但在較近的里程內(nèi)，商業(yè)航天卻在成為諸多科技公司日益關(guān)注的領(lǐng)域。由谷歌聯(lián)合創(chuàng)始人拉里·佩奇和前CEO埃里克·施密特參與投資的“行星資源”（Planetary Resources）公司意在利用無人航天器開發(fā)小行星上的貴金屬。該公司與經(jīng)營(yíng)太空旅游業(yè)的維珍銀河公司（Virgin Galactic）合作，計(jì)劃在數(shù)年內(nèi)將一臺(tái)50公斤重的望遠(yuǎn)鏡發(fā)射到近地軌道，以進(jìn)行初步的觀測(cè)和勘探。他們所看重的是小行星上存在的稀有金屬——鉑。利用望遠(yuǎn)鏡對(duì)稀有金屬的存在加以確認(rèn)，隨后將機(jī)器人送至距地球數(shù)百萬公里的地方，在零重力環(huán)境下提取礦石并加以精煉；或者將小行星拉至離地球較近的區(qū)域，再由其他航天工具加以采集——這是一條逐利的“空中絲綢之路”。除去采集和精煉貴金屬外，該公司也計(jì)劃在太空中生產(chǎn)水，以幫助火箭或其他航天器的燃料補(bǔ)給。

1982年成立的納斯達(dá)克上市公司軌道科學(xué)集團(tuán)（OSC）主要從事人造衛(wèi)星的制造和發(fā)射，至今已經(jīng)生產(chǎn)出569枚運(yùn)載火箭以及174顆衛(wèi)星，其中僅2015年內(nèi)就交付了82枚火箭與24顆衛(wèi)星。2013年11月19日，該公司的“米諾陶”Ⅰ型火箭曾成功實(shí)現(xiàn)了一枚火箭將29顆衛(wèi)星送入地球軌道的發(fā)射，創(chuàng)造了世界紀(jì)錄。除去“米諾陶”和“心宿二”兩個(gè)系列大型運(yùn)載火箭外，該公司的另一項(xiàng)業(yè)務(wù)是利用洛克希德L-1011型噴氣式客機(jī)改造的“觀星者”平臺(tái)進(jìn)行小型火箭的發(fā)射：“觀星者”上升至1.2萬米高空，18.5噸重的“飛馬座”小型火箭從機(jī)身下方點(diǎn)火發(fā)射，將443公斤以下的小型衛(wèi)星送入低地軌道。這種發(fā)射方式無需地面發(fā)射架，火箭升空過程中不用面對(duì)強(qiáng)大的重力和空氣摩擦力，還能減少燃料攜帶，有效降低了成本。迄今為止的40次發(fā)射有35次成功。

2010年，OSC還曾參與NASA的商業(yè)載人太空飛行發(fā)展計(jì)劃的論證，提出研制一種尺寸只有航天飛機(jī)1/4大小的升力式太空飛機(jī)，每架能搭載4名宇航員，利用“大力神”Ⅴ型運(yùn)載火箭發(fā)射，結(jié)束任務(wù)后自行降落在基地跑道上。盡管該方案最終未獲撥款，但在2013年4月，OSC成功地利用“心宿二”型火箭完成了一次虛擬載荷試射。這使得該公司成為全球第二家有能力將貨物運(yùn)輸?shù)絿?guó)際太空站的民營(yíng)航天企業(yè)。

當(dāng)然，最吸引眼球的始終是埃隆·馬斯克這個(gè)“吃螃蟹者”。他的太空探索科技公司在第一個(gè)10年里相繼獲得10億美元以上的外部投資，開發(fā)出“獵鷹”系列運(yùn)載火箭以及具備補(bǔ)給國(guó)際空間站能力的“龍?zhí)枴必涍\(yùn)飛船。2012年5月22日，“龍?zhí)枴笔锥韧瓿蓪?duì)空間站的補(bǔ)給任務(wù)，理論上每次最多可承擔(dān)3噸物資載重。該公司的另一個(gè)項(xiàng)目“紅龍”則試圖以升級(jí)版的“獵鷹”火箭將“龍?zhí)枴鄙淙牖鹦谴髿鈱樱詫ふ耶?dāng)?shù)厣嬖诘淖C據(jù)，并獲取潛藏于紅色土壤之下的水冰儲(chǔ)藏樣本?！凹t龍”項(xiàng)目的總預(yù)算預(yù)估為4.25億美元，大大低于官方預(yù)期——始終堅(jiān)持以商業(yè)投資者的精明眼光和算計(jì)從事太空項(xiàng)目的開發(fā)，這或許才是馬斯克的成功之道。

智能電網(wǎng)

在節(jié)能領(lǐng)域，現(xiàn)階段受關(guān)注最多的往往是能源本身的屬性，而不包括傳輸體系這樣的“軟性”要素。但鑒于一切形式的能源和燃料都須以電力作為終端輸出，對(duì)電網(wǎng)本身進(jìn)行升級(jí)和改造同樣成為值得關(guān)注的方向。融合有數(shù)字技術(shù)、雙向通信、監(jiān)控、傳感以及互聯(lián)網(wǎng)的智能電網(wǎng)，遂也應(yīng)運(yùn)而生。

在這一網(wǎng)絡(luò)中，最基本也是最重要的裝置是智能電表。它能隨時(shí)將終端用戶的用電信息直接反饋給電力公司，并通過局域網(wǎng)監(jiān)測(cè)家中每種電器的耗電量。各種電器的耗電量將實(shí)時(shí)反饋在控制表盤以及戶主的電腦和手機(jī)上，并可以通過軟件遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)電器功率乃至將其關(guān)閉。電表還會(huì)根據(jù)總負(fù)荷以及該地區(qū)的總體供電情況對(duì)實(shí)時(shí)用電狀況進(jìn)行調(diào)節(jié)，例如當(dāng)供電系統(tǒng)負(fù)載過大時(shí)，電表會(huì)自動(dòng)調(diào)高空調(diào)溫度；當(dāng)電動(dòng)汽車進(jìn)入車庫時(shí)，電表也會(huì)根據(jù)對(duì)家中用電狀況的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，自動(dòng)選擇用電需求最低的夜間時(shí)段執(zhí)行充電任務(wù)。倘若電表監(jiān)測(cè)到用戶的用電習(xí)慣符合電力公司對(duì)節(jié)能的優(yōu)惠條件，還能給予電價(jià)方面的優(yōu)惠。

除去電表以外，電網(wǎng)本身也需要加以智能化升級(jí)。傳統(tǒng)火力發(fā)電廠、水電站以及核電站的發(fā)電量是可以提前預(yù)知的，因此能以一種較精確的度量方式被送入電網(wǎng)。相比之下，可再生能源（如風(fēng)電、太陽能）在發(fā)電時(shí)的波動(dòng)性很強(qiáng)，高度依賴風(fēng)力級(jí)數(shù)和陽光強(qiáng)度，需要保留替換選項(xiàng)和冗余，實(shí)現(xiàn)不同類型的裝機(jī)兼容。為實(shí)現(xiàn)大量可再生能源的并網(wǎng)、整個(gè)電力系統(tǒng)的平衡以及電壓穩(wěn)定，避免電力事故發(fā)生，電網(wǎng)的規(guī)模和數(shù)字化水平都需要做進(jìn)一步提升，包括須進(jìn)一步增加電網(wǎng)的可靠性，以確保在惡劣天氣和地質(zhì)災(zāi)害下能夠自我修復(fù)。

一套具備自我修復(fù)能力的電網(wǎng)將配備具有實(shí)時(shí)監(jiān)控能力的傳感器，計(jì)算機(jī)將自主評(píng)估問題的嚴(yán)重程度，并將應(yīng)對(duì)方案呈送給少數(shù)操作人員。雙向通信系統(tǒng)則會(huì)將電網(wǎng)沿線的遠(yuǎn)程變電站和控制室內(nèi)的技術(shù)人員聯(lián)系起來，以縮短意外情況下的停電時(shí)間，并將停電限制在一個(gè)較小的范圍內(nèi)。另外，雙向通訊系統(tǒng)還有助于限制外部因素（例如恐怖襲擊）對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)的影響，加速電力公司對(duì)供電干擾的反應(yīng)，減少緊急搶險(xiǎn)隊(duì)的派遣頻次。另外，智能電網(wǎng)還能促進(jìn)建筑節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用，以實(shí)現(xiàn)建筑能效的進(jìn)一步提高。

智能電網(wǎng)是一個(gè)高度復(fù)雜的系統(tǒng)。它的互動(dòng)性更強(qiáng)，對(duì)信息技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)也更依賴，必須能抵御黑客以及各種網(wǎng)絡(luò)空間戰(zhàn)的攻擊，故須具備充分的信息安全保障?？偟膩砜?，新技術(shù)對(duì)電力系統(tǒng)的運(yùn)行和建筑能效的積極影響將隨著時(shí)間的推移日益顯著，最終為人們提供一種更加綠色的生活方式。

生物燃料

最近10年，生物燃料尤其是乙醇燃料在美國(guó)已經(jīng)成為炙手可熱的政治議題。全美與汽油混合使用的乙醇消耗量已經(jīng)達(dá)到日均90萬桶以上，幾乎占到美國(guó)日均汽油消費(fèi)量的1/10。聯(lián)邦政府計(jì)劃到2022年將這一數(shù)字增加到235萬桶，相當(dāng)于從傳統(tǒng)能源市場(chǎng)節(jié)省了尼日利亞和委內(nèi)瑞拉兩個(gè)OPEC成員國(guó)日均產(chǎn)量的總和。美國(guó)空軍也在飛機(jī)上試驗(yàn)乙醇燃料的性能，海軍則制定了到2020年為止將一半液體燃料轉(zhuǎn)為生物燃料的目標(biāo)。歐盟則要求其成員國(guó)到2020年為止將可再生能源的消費(fèi)量占總能耗的比例提升到10%，而在發(fā)展生物燃料力度最大的巴西，汽車燃料的40%～60%系由乙醇制備。

在巴西，利用甘蔗制備乙醇已經(jīng)形成龐大的規(guī)模：貨車將甘蔗直接傾入傳送帶，接著甘蔗被送入工廠的壓榨加工車間。壓榨后的液體經(jīng)發(fā)酵變?yōu)橐掖己?，首先?huì)進(jìn)入蒸餾塔，然后進(jìn)入燃料罐，最后經(jīng)悶罐車和管道運(yùn)送到全國(guó)各地的加油站。每加侖乙醇燃料的生產(chǎn)成本僅為60美分。消費(fèi)者只需花上100美元就能把汽車改裝成混合燃料車，既可使用乙醇燃料，也可加汽油。盡管乙醇的能量密度只及汽油的2/3，但因?yàn)閮r(jià)格便宜、補(bǔ)充便捷，很快獲得消費(fèi)者的認(rèn)可。僅2008年一年，巴西就售出了4萬輛乙醇動(dòng)力汽車，該國(guó)也迅速由上世紀(jì)70年代的石油進(jìn)口國(guó)（當(dāng)時(shí)對(duì)進(jìn)口原油的依賴率超過85%）轉(zhuǎn)變?yōu)閮舫隹趪?guó)，反而增加了外匯收入。

甘蔗乙醇的另一項(xiàng)優(yōu)勢(shì)在于，甘蔗渣和廢料纖維還可以被用于發(fā)電和生熱，這樣就進(jìn)一步降低了化石燃料需求和能源成本。自2008年起，巴西的乙醇燃料銷量已經(jīng)超過了汽油，并以日均30萬桶的速度繼續(xù)遞增。

除去甘蔗和玉米外，某些種類的霉菌、柳枝稷甚至農(nóng)業(yè)垃圾也可以被用于制備乙醇，但加工成本相對(duì)較高。一些基因科技公司遂嘗試自行開發(fā)優(yōu)良燃料作物品種。此外，新的生物燃料制取方式也正在孕育當(dāng)中：其一是先將作物加熱到非常高的溫度，然后將產(chǎn)生的合成氣體轉(zhuǎn)化為液體燃料，過程與煤炭液化類似；另一種則是利用水解作用，先將作物與水和酸混合，再對(duì)其進(jìn)行加熱、加壓，最終生物質(zhì)會(huì)分解出乙醇。

另一種潛在的生物燃料原料則是藻類植物。從分子角度分析，藻類光合作用產(chǎn)生的脂類和油性部分非常適于生產(chǎn)汽油、柴油和航空煤油，其生成過程也很高效。單位面積的藻類植物產(chǎn)生的能量分別相當(dāng)于單位面積棕櫚樹和玉米所產(chǎn)生能量的3倍和6倍。一些研究機(jī)構(gòu)正在嘗試大規(guī)模繁殖培養(yǎng)藻類植物，并尋求應(yīng)用基因技術(shù)研發(fā)一種具有完全活動(dòng)能力、可以對(duì)全球能源供應(yīng)產(chǎn)生重大影響的超級(jí)藻。美國(guó)能源部預(yù)計(jì)，到21世紀(jì)中葉，生物燃料將能夠滿足全球大約20%的能源消費(fèi)需求。