明天的能源

人類現(xiàn)有的能源主要有三種：火電、水電和核電。火電需要燃燒煤和石油，產(chǎn)生大量的二氧化碳和硫的氧化物，導(dǎo)致地球變暖。而且，以目前的耗能量計，石油的提取預(yù)計在未來10~30年內(nèi)達(dá)到極限，本世紀(jì)末即告枯竭。水電要淹沒大量土地，對一個國家來說，水力資源是有限的，而且還要受季節(jié)的影響。核電在正常情況下固然是干凈的，但萬一發(fā)生核泄漏，后果是極可怕的。即使核電站平安無事，如何妥善處置核廢料也一直是令人頭痛的難題。

為此，科學(xué)家正式啟動了“太陽神”計劃，利用太陽光開發(fā)可再生和可持續(xù)供應(yīng)的能源，以應(yīng)對日益緊迫的能源危機。太陽能無枯竭的危險，又干凈無公害，也不受資源分布和地域的限制。當(dāng)然，獲取太陽能要占用巨大面積，而且會受四季、晝夜及陰晴的影響。但瑕不掩瑜，太陽能無疑是人類最可靠的新能源。

太陽之神和阿基米德

希臘神話中的太陽之神，每天駕駛著四馬金車從東到西，晨出晚沒，為大地上的所有生物送去光明和溫暖。實際上，宇宙中的太陽是一個巨大的核聚變反應(yīng)堆，每一秒鐘就將大約50億千克的物質(zhì)轉(zhuǎn)化為了能量；它的表面溫度為6000℃，核心溫度高達(dá)1500萬℃；如此高溫和2500億個大氣壓的高壓，使它能向宇宙空間發(fā)出巨大的光和熱。地球所接受的太陽能，只占太陽表面發(fā)出的全部能量的二十億分之一，這些能量相當(dāng)于全球所需總能量的3~4萬倍。因此，太陽的能量真可謂取之不盡，用之不竭。

2200多年前，古羅馬帝國派艦隊攻打地中海西西里島東部的錫臘庫扎。當(dāng)時已70多歲的希臘著名物理學(xué)家阿基米德也在島上，他發(fā)動全城的婦女拿著锃亮的銅鏡來到岸邊。烈日當(dāng)空，阿基米德樹起一面大鏡子，讓它反射的日光正好照射到敵人戰(zhàn)艦的船帆上。同時，婦女們也將鏡子的反射光照到船帆上。不一會兒，艦船起火，羅馬人大敗而歸。

在這一傳說的啟發(fā)下，1980年，人們在西西里島的阿德拉諾鎮(zhèn)建造了一個太陽能發(fā)電站。180面特大玻璃鏡組成了總面積達(dá)6200多平方米的巨大廣場。由它們反射的太陽光都自動匯聚到了位于廣場中心的塔頂上，用來加熱鍋爐里的水，產(chǎn)生500℃、64個大氣壓的高溫高壓蒸汽，推動渦輪機發(fā)電。這一發(fā)電能力為1000千瓦的太陽能電站的出現(xiàn)，引發(fā)了全世界建造太陽能電站的熱潮。

種植燃料

“太陽神”計劃將通過四種途徑從太陽光獲取燃料。其中兩種是基于自然界的生物系統(tǒng)，另兩種則為人造系統(tǒng)。

生物質(zhì)是地球上最為豐富的可再生的碳資源，稻草、柴草、麥稈和牛糞長期以來一直是人類最主要的生活燃料。但要實現(xiàn)利用生物質(zhì)生產(chǎn)諸如汽油、柴油等動力燃料，還需克服一些障礙。其中的一大難題是，將生物質(zhì)轉(zhuǎn)換成動力燃料的成本高昂而效率低下。例如，通過榨取甘蔗和玉米的纖維素可以獲得乙醇燃料，但為了獲得少量的乙醇，卻需要使用大片的土地來種植甘蔗和玉米。

美國伯克利實驗室的科學(xué)家，試圖找到一種方法來創(chuàng)建某種“產(chǎn)能植物”：通過導(dǎo)入相關(guān)基因，使這種植物不僅能自我繁殖，能抗旱抗蟲，而且能顯著提高產(chǎn)能效率。有一種叫“毛果楊”的植物，是第一種被人類破譯其全基因組草圖的樹木。它生長迅速，纖維素豐富，是一種很有潛力的生物質(zhì)燃料?？茖W(xué)家正試圖利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)，讓毛果楊長得更大更快，而且含有更高比例的纖維素，從而能在它們身上更容易地獲取更多的乙醇。

請細(xì)菌幫忙

在人類出現(xiàn)之前，各種動植物就已經(jīng)在地球上大量繁殖生存了。動植物死亡之后，它們的尸體隨著大量泥沙被掩埋在地下深處并很快與空氣隔絕。其中植物的殘骸在高溫高壓的作用下，經(jīng)過一系列復(fù)雜的物理化學(xué)變化，形成了黑色的可燃化石——煤。只要仔細(xì)觀察一下煤塊，就可以看到有植物的葉和根莖的痕跡，這便是一個證明。

經(jīng)過漫長的歲月，受高溫、高壓和厭氧細(xì)菌的物理、化學(xué)和生物作用，生物尸體中的碳水化合物和蛋白質(zhì)的化合物，在分解過程中形成了有機淤泥。在細(xì)菌的進(jìn)一步作用下，有機淤泥逐漸演化成了細(xì)小分散的液體油滴。在地殼運動產(chǎn)生的壓力和重力的共同作用下，它們依靠地下水的運輸，從一個巖層“旅行”到另一個巖層，最終在多孔的砂巖和有裂縫的巖石中“定居”了下來，聚集成了油田。

今天，自然狀態(tài)下的微生物和植物也能利用陽光直接形成石油和酒精，但杯水車薪，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了人類對能源的需要。能不能優(yōu)化大自然的這一制造燃料的過程，大大提高它的生產(chǎn)率呢?以今天的DNA合成技術(shù)，已足以合成兩種共生細(xì)菌的基因組。這兩種細(xì)菌擁有迄今所記錄到的最小的基因組。這意味著將來可以通過類似的技術(shù)，合成能產(chǎn)生氫的細(xì)菌。

太空發(fā)電

“太陽神”計劃將在納米尺度上模擬和控制光電轉(zhuǎn)換。隨著新的基于納米技術(shù)的太陽能電池的出現(xiàn)，太陽能電池的效能有可能出現(xiàn)突破性的增長。價格低廉的大功率太陽能電池的制造將成為可能。

提高太陽能發(fā)電的效率，不僅有賴于新材料、新技術(shù)，而且還取決于當(dāng)?shù)氐奶柲苜Y源。我國西部地區(qū)是世界上最大的地勢較高的自然地理單元，有著世界上最豐富的太陽能資源，尤其是西藏地區(qū)，空氣稀薄，輻射強度大；年日照時間長達(dá)1600~3400小時，每天日照6小時以上的年平均天數(shù)在275~330天之間。太陽能發(fā)電的前景非常廣闊。

科學(xué)家們還提出了更為激動人心的太陽能發(fā)電計劃。一是利用遼闊的沙漠和海洋進(jìn)行發(fā)電，并通過超導(dǎo)電纜將全球太陽能發(fā)電站聯(lián)成統(tǒng)一的電網(wǎng)。據(jù)測算，即使全用太陽能發(fā)電來滿足全球的能源需求，所需的面積也不過才占全部海洋面積的2.3％或全部沙漠的51.4％，甚至才是撒哈拉沙漠面積的91.5％。因此，實現(xiàn)這一方案不是沒有可能的。

二是太空發(fā)電。早在1980年，科學(xué)家就提出了在太空建設(shè)太陽能發(fā)電站的設(shè)想：如果在地球同步軌道上放一個長10千米、寬5千米的太陽能電池板，便可提供500萬千瓦電力。但要解決向地面無線輸電的問題，還有一段漫長的路程要走。

對于淡水資源缺乏的國家來說，利用太陽能發(fā)電還有另一個不可多得的好處：據(jù)專家測算，在近海淺水區(qū)域建設(shè)一個面積2163平方千米、深1.2米的太陽能發(fā)電站，除了獲取電能，每年還可得到２立方千米淡水。

模仿植物

美國伯克利實驗室的科學(xué)家正在開發(fā)一種裝置，模仿自然界中的植物直接從水和陽光獲取能量，而又比自然過程更穩(wěn)定更有效。具體地說，就是利用陽光分裂水分子，制造氫氣，以得到無污染的清潔能源。實現(xiàn)這一高效反應(yīng)需要一種金屬催化劑。

最近，科學(xué)家成功破譯了這種金屬催化劑的分子結(jié)構(gòu)，并開始研究它的結(jié)構(gòu)、工作原理，目的是為了研制出有相似功能的催化劑，用于大規(guī)模地從水中獲取氫能源。太陽能利用的這一途徑將在許多方面帶來極其可觀和長期的利益，但是要實現(xiàn)這一目標(biāo)，需要克服的困難也最多。