7大顛覆性技術破解能源危機

能源技術：

科學家和工程師們正在開發一系列看起來渺茫，卻有望徹底解決能源危機的新技術。

利用原本危險的核廢料作燃料，建成一個核裂變反應堆——它先由激光驅動出現核聚變爆炸，再由爆炸觸發裂變反應，于是出現出一種新能量；而一種新的設備能將陽光和二氧化碳轉化為燃料，取代汽油。

一種將為制冷機帶來革命的磁體，以及能降低汽車油耗的記憶合金，將使能源利用率大幅提高。

也許這些新技術最終成功的可能性只有10%，但假如其中任何一種成為現實，能源利用率和安全水平就會得到極大提高。

許多人都在研究如何更加有效地利用可再生能源及如何提高能源效率，這固然很好，然而，大多數研究成果可能只是對現有技術設備的一些有限改進。我們要從根本上徹底改變能源開發和利用的現狀。

多年來，科學家和工程師為我們構想了一幅幅美妙畫面：太空中，衛星吸收太陽光的能量，再將能量束傳導回地面上的接收站；飄浮在大氣層中的風力發電機……然而，幻想總要落實到現實。最近一些可觀的政府或私人資金投入了這些研究，來幫助關鍵領域中各種各樣的長遠技術研發。接下來介紹的這些項目，都是最有可能得到回報的范例。當然，前提是它們的發明者能跨過重重障礙，并最終使科學成果投入大規模生產。

新反應堆

以聚變觸發裂變

利用激光從核廢料中榨取電能

新反應堆以聚變觸發裂變

自然界中，太陽的光和熱源自核聚變；氫彈的能量也來自核聚變。物理學家和工程師數十年來也一直在努力研究如何通過核聚變發電?，F在，研究人員能夠輕松制造出可控核聚變反應——只要讓氫原子核足夠猛烈地碰撞壓縮到一起，它們就會融合，并釋放出中子和能量。然而，要讓核聚變用于發電，就必須做到更高效，以使反應所釋放的能量大于觸發反應（被稱為“點火”）所需的能量，這是科學界的一道難題。

因此，美國利弗莫爾國家實驗室國家點火裝置（NationalIgnitionFacility）的科學家設計出一套新方法：用核聚變來驅動裂變，利用原子分裂出現的能量來驅動傳統核反應堆。該實驗室主任愛德華·摩西（EdwardMoses）聲稱，利用這一機制運作的實驗性特種有望在20年內建成。

根據利弗莫爾實驗室的構想，要先在一個反應室的內壁上排放一厚層鈾或其他核燃料，然后利用激光脈沖在反應室內觸發核聚變爆炸，放射出的中子轟擊到內壁上的核燃料后，會使其中的原子分裂。這可以將反應室的能量輸出提升3倍，甚至更多。

和平利用核聚變驅動裂變概念的提出，要追溯到上世紀50年代。當時，蘇聯的氫彈之父安德烈·薩哈羅夫（AndreiSakharov）首次提出了這個設想。

既然大部分能量仍來自裂變，為何不繼續使用傳統特種，卻非要不厭其煩地研究由聚變來觸發呢？原因在于，裂變反應堆要依賴于鏈式反應，即裂變的原子釋放出的中子會觸發更多原子發生裂變。想要維持鏈式反應的進行，就必須用钚或濃縮鈾作為燃料，這兩種材料都能用于生產核武器。

而聚變—裂變混合反應堆是由聚變爆炸出現的中子觸發裂變反應，不再要維持鏈式反應的進行。這樣的設計擴大了核燃料的選擇范圍，可以使用的燃料包括未濃縮的鈾、貧化鈾（來源豐富，濃縮鈾使用后的廢料），甚至其他核反應堆出現的廢料——否則，這些廢料必須得貯存數千年，或者要進行復雜和危險的再處理后，重新作為裂變電站的燃料。

另一個原因是燃耗。對傳統核反應堆而言，燃料使用到必須被更換之前，可裂變原子中僅有一小部分發生了裂變。摩西介紹說，而聚變—裂變反應堆能消耗掉核燃料的90%。因此，它的燃料需求量或許只是普通裂變反應堆的1/20。這種反應堆的使用壽命約為50年，其中最后十年被稱為“焚化”階段，在這一階段里，輸出電能逐漸減少，即使如此，它也能將約2500千克的長半衰期核廢料消耗到只剩約100千克。

與此同時，研究人員也在進行基于磁控核聚變的聚變—裂變設計，這是可控核聚變的另一種方式，利用超強磁場來約束聚變反應。2009年，美國得克薩斯大學奧斯汀分校的科學家提出了一個帶有緊湊型磁控核聚變觸發裝置的混合反應堆設計方法。我國的研究人員也正在評估有關優化能量出現、傳統核反應堆燃料生產，以及利用核廢料發電的設計方法。

以任何形式利用核聚變出現能量，都是很超前的設想。即便是摩西的實驗室于今年成功實現點火，這種混合特種的一些重要技術障礙依然存在。例如，微小的、精細加工制成的聚變靶丸要能以可接受的成本量產；還要一系列未經檢驗的新技術，來保證點火頻率達到每秒10次（目前“國家點火裝置”在一天內命中靶丸的次數也沒幾次）。

制造混合反應堆，還要一些在純聚變裝置中用不到的技術。具體來說，就是裂變燃料層，其中的燃料要能經受得住比傳統核反應堆中高得多的溫度，以及猛烈得多的中子轟擊。候選設計包括從固態的多層“卵石”狀核燃料，到液態的、含釷、鈾或钚的熔融鹽。

這無疑是一個巨大的挑戰，但摩西已經設想好了一條雄心勃勃的研發路線來實現這個目標。雖然，他們實驗室的首要任務還是必須證明激光核聚變能夠點火成功。

液體太陽能燃料

用太陽光和二氧化碳來驅動汽車

液體燃料太陽能燃料

太陽每一個小時照射到地球上的能量，就比人類一年消耗的能量還多。假如科學家能夠將過剩太陽能轉化為液體燃料，哪怕只是一小部分，就能解決我們對化石燃料的依賴，以及由此帶來的種種問題?！凹偃缒苡行?、經濟地利用太陽能來制造化學燃料，就能徹底改變能源現狀，”美國加州理工學院人工光合用途聯合研究中心主任內森？劉易斯（NathanLewis）評論說。

其中美國桑迪亞國家實驗室（SandiaNationalLaboratories）開展的一項嘗試非常吸引人。他們在新墨西哥州的沙漠中安裝了一些直徑6米的圓盤狀鏡面，能將太陽光聚集到安放在盤面前方的一個半米長、形狀像啤酒桶的圓柱形儀器上。太陽光被這些鏡面聚焦后，從儀器表面的一個窗口射入，照射到里面12個以每分鐘一圈的速度旋轉的同軸圓環上。圓環的邊緣是以齒狀排列的氧化鐵（鐵銹）或氧化鈰，它們依次旋轉進光束，并被加熱到1500℃，如此高的溫度能驅出鐵銹里的氧。當轉到反應室較冷的暗處時，它們又能從注入反應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。

這樣出現的氫氣—一氧化碳混合氣體被稱為合成氣（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，還能被該過程全部吸收。美國高級研究計劃局能源項目部主任阿倫·麥琴達爾（ArunMajumdar）評論說，這種太陽能燃料系統“可謂一石四鳥”，即帶給我們更清潔的能源供應，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，例如瑞士聯邦理工學院（SwissFederalInstituteofTechnology）和美國明尼蘇達大學，研究人員也在研發生產合成氣的設備。還有一些新興公司同時在尋求其他途徑來達到類似目標，例如位于馬薩諸塞州的SunCatalytix公司將一種廉價催化劑泡入水中，并利用太陽能電池板出現的電力，來制備氫和氧，新澤西州LiquidLight公司將二氧化碳氣體導入一種電化學反應池來出現甲醇。此外，劉易斯本人也正在研制一種“人造樹葉”（參見《環球科學》2010年第11期《人造樹葉：陽光變燃料》），它由一種半導體納米線制成，能利用陽光將水分解成氫和氧。

當然，重要困難還是在實際應用上。在桑迪亞實驗室，齒狀氧化物總是破裂，阻礙了反應進行?！澳阕專ㄑ趸铮┎牧显?500℃和900℃之間來回轉，這對它們的要求很高，”亞利桑那州立大學LightWorks計劃主任、未參與該項研究的化學家加里·德克斯（GaryDirks）評論說。下一步計劃是，在納米尺度上加固氧化物的結構，或找到更合適的材料；圓盤狀鏡面的高昂造價也要降低。根據桑迪亞實驗室研究人員的計劃，他們的合成氣制造機能夠生產出成本為10美元/加侖（約2.65美元/升）的燃料?！拔覀儾⒎亲霾坏竭@一點，但我們還有很長的路要走。”化學工程師詹姆斯？E？米勒（JamesE.Miller）說，他也是這項技術的發明者之一。

電力生產

量子光電池

熱電子能讓太陽能電池的效率翻番

電力生產量子光電池

目前市場上的太陽能電池，只能將接收到的陽光能量的10%至15%轉化為電能，以致發電成本居高不下。原因之一是，單層硅吸收陽光的效率，理論上限大約是31%（實驗室中最好的光電池可以達到26%）。而對半導體晶體（或稱為“量子點”）的新研究表明，這一理論上限可以提高到60%以上，這為開發低成本發電設備帶來了希望。

在傳統光電池中，硅中的電子被射入的光子擊出而成為自由電子，能夠自由地流入導線，從而出現電流。不幸的是，陽光中許多光子能量太高，當它們擊打到硅上時，會出現一種“熱電子”，它們會以熱的形式迅速損失能量，在被導線捕捉到之前又重新回到初始狀態。假如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翻一番。

解決方法之一是降低電子的冷卻速度，為捕捉它們贏得更多時間。去年，美國得克薩斯大學奧斯汀分校的化學家朱曉陽（XiaoyangZhu，音譯）和同事將注意力投向了一種量子點，每一個點只包含數千個原子。他們將硒化鉛量子點沉積在一層導電的二氧化鈦（一種普通材料）上。當光線照在上面時，所出現的熱電子損失能量所需的時間要比原先長了1000倍。美國圣母大學（UniversityofNotreDame）的普拉山特·卡馬特（prashantKamat，未參與此項研究）評論道，朱曉陽的團隊“確實證明了這一設想是可能實現的”。

然而，延緩電子能量損失僅僅是一個方面。目前，朱曉陽的團隊正在尋找能讓導體將盡可能多的熱電子轉化為電流的方法，這樣，導體本身才不會將它們以熱量的形式吸收。

在最終得到實用的太陽能電池之前，還有許多困難要克服。朱曉陽說，“我們要建立一整套物理理論”，包括熱電子究竟如何冷卻，它們怎么樣流入導體等等。他說：“一旦解決了所有這些問題，我們就會了解最終應該使用什么材料?！敝鞎躁栴A計，這項工作“要一些時間，但是我有信心取得成功。我希望看到這些新型太陽能電池板安裝在自家屋頂上”。該項目的商業回報將十分可觀。

廢熱利用

熱力發電機

形狀記憶合金利用廢熱帶來額外能量

廢熱利用熱力發電機

在美國，人們消費的能源中，有60%白白浪費掉了，其中大部分以熱的形式從汽車排氣管和發電廠的煙囪中逃走。通用汽車公司的科學家正試圖利用一種被稱為“形狀記憶合金”（shape-memoryalloys）的新型材料，來捕捉這些寶貴的能量。形狀記憶合金能將熱能轉化為機械能，進而出現電力。該研究組組長艾倫·布朗（AlanBrowne）的第一個目標是，回收汽車排氣系統中散發的熱能，驅動車載空調或音響系統。

布朗計劃使用由數條平行的鎳—鈦合金薄線組成的合金帶來收集熱能，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之間來回變換：在較高溫度下較堅硬的本態與較低溫度下更為柔韌的狀態。在這個設計中，合金帶繞過呈三角形排列的3個滑輪。其中一角處的合金帶接近熾熱的排氣系統，而另一角則位于溫度較低的遠端。合金帶在高溫處收縮，低溫處伸張，就會讓自己沿這個三角環路轉動并帶動滑輪旋轉，進而通過軸承驅動發電機。溫差越大，環路轉動越快，出現的能量也就越多。

通用汽車公司制造的原型機由一條僅10克重的合金帶來出現兩瓦特功率，可以點亮一盞小燈。布朗聲稱，10年內，這種發電機出現的功率就會提高到商用的標準。他還補充說，為家用電器或發電廠冷卻塔安裝這種記憶合金熱力發電機，不存在任何技術障礙。該項目的合作者、美國HRL實驗室的材料科學家杰夫·麥克奈特（GeoffMcKnight）說，這種合金為先前被認為是無法實現的一些應用領域開辟了新天地，因為即使溫差只有10℃，它們也可以使用。

通用汽車公司的設計并不復雜，但離實用仍很遙遠。形狀記憶合金容易疲勞，會變得脆而易碎；要持續處理3個月才能重新回到“本態”的形狀記憶；合金線很難組合成帶；如何解決利用空氣來有效加熱和冷卻合金帶也是一個挑戰。布朗沒有具體說明目前如何解決這些問題，而只提到他們不斷調整合金線的直徑、形狀，以及加熱和冷卻的方式。換句話說，他們正在調試“科學上的和人能想象得到的”所有參數。

通用汽車公司并不是唯一一家試圖利用廢熱來出現能量的機構。美國伊利諾伊大學的桑吉夫·辛哈（SanjivSinha）正在研發一種可彎曲的固態材料，它也能將熱力轉化為電能。假如熱力發電機能被安裝在現有或未來的設備中，它就會有近乎無限的應用前景：從數千座的冷卻塔和工業鍋爐，到數以百萬計的家用暖氣、冰箱和煙囪，還有拖拉機、卡車、火車和飛機。全世界會有數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。

車輛工程

沖擊波汽車發動機

汽車油耗將降低80%

車輛工程沖擊波汽車發動機

一個多世紀以來，幾乎所有轎車和卡車都使用的是活塞式發動機。即便是目前最新型的混合動力車，以及雪佛蘭沃爾特電動汽車這樣的全新概念車，也都還在使用小型活塞式發動機來供應動力和為電池充電。然而，美國密歇根州立大學正在研發一種完全不同的、不使用活塞的發動機。它被稱為波—轉子發動機（wave-diskengine）或沖擊波發動機（shock-waveengine）。假如取得成功，未來混合動力汽車的油耗就能降低80%。

密歇根州立大學機械工程教授諾伯特·穆勒（NorbertMüller）是發明者之一，他說，這種緊湊型發動機僅有家用蒸鍋大小，要的部件也比活塞式發動機少得多。這種發動機將不再要活塞、連桿和汽缸。重量的減輕和燃油效率的提高“能在消耗同樣數量燃料的前提下，讓一輛裝備再生制動裝置的插電式混合動力車的行駛距離新增4倍，相應的二氧化碳排放量也會減少80%”。不僅如此，該系統還能使制造成本降低30%。

在位于美國東蘭辛的實驗室里，穆勒和他的研究組正在測試一部波—轉子發動機原型。他們的目標是，制造出一臺25千瓦（33馬力）功率發動機。他希望首臺發動機能量轉化效率可達30%左右，而目前最好的柴油發動機所能達到的效率是45%。但是，他對改進型發動機能夠將效率提升到65%持樂觀態度。

在傳統電火花點火發動機中，火花塞引燃汽缸中汽油和空氣的混合物，來推進活塞驅動曲柄軸，曲柄軸再帶動車輪旋轉。柴油發動機是通過活塞來高度壓縮燃料和空氣，將它們點燃。燃燒的氣體膨脹，將活塞推回去，進而帶動曲柄軸。

在波—轉子發動機設計中，出現動力的過程是在一個旋轉的渦輪中進行的。渦輪就像平放在桌面上的電腦風扇（轉子），有許多彎曲的葉片和外殼。壓縮后的高溫空氣和燃料經過位于中央的軸，被導入葉片之間的空隙。當高度壓縮的混合氣體被點燃時，燃燒的氣體在有限空間里急速膨脹而形成沖擊波，壓縮剩余部分的空氣；從外殼上反射回來的沖擊波也會進一步壓縮和加熱空氣。最后，經過壓縮和加熱的氣體會在恰當時機通過外殼釋放出去。壓縮氣體在彎曲的葉片上施加的力，和氣體噴射出現的力一起，驅動轉子旋轉，進而帶動曲柄軸。

據波—轉子發動機的另一發明人，波蘭華沙科技大學（WarsawUniversityofTechnology）的副教授雅努什·皮埃切納（Januszpiechna）介紹說，從1906年起，工程師們就開始研究波—轉子裝置了，而且它們已經被用在了一些賽車的增壓器里。但是，穆勒說，里面不穩定的氣流非常難控制。要想預測這些間歇性氣流極其復雜的非線性行為，要進行精細的數值計算，這類計算一直都因為太過費時或不夠精確而無法達到要求，該問題直到近幾年才得以解決。目前，密歇根州立大學和其他一些研究機構正通過高仿真模擬，來輔助葉片幾何形狀的精密設計，以及精確到零點幾秒的燃燒時間控制，期望得到最佳性能。

計算機模型能否最終變成在路上跑的實際產品，我們還不得而知?！安āD子技術的應用可能會很困難，”丹尼爾·E·帕克森（DanielE.paxson）說，他在美國特種航天局戈蘭研究中心（NASAGlennResearchCenter）從事流體模型設計。帕克森認為，密歇根州立大學的研究“毫無疑問是超前了”。他的評論既包含著務實的懷疑，更加有從創新角度的贊賞?！盁o論最終的結果是什么，我確信他們都會學到很多”。

穆勒相信，他的研究組最終能制造出合適的波—轉子發動機，并將它們成功應用于更清潔的混合動力車上，從小型摩托車到家用轎車和運輸卡車，他對此似乎毫不懷疑。“這只是時間、努力和想象力的問題，當然，還有資金問題”。

人們消費的能源中，有60%白白浪費掉了，其中大部分以熱的形式從汽車排氣管和發電廠的煙囪中逃走。通用汽車公司的科學家正試圖利用一種被稱為“形狀記憶合金”（shape-memoryalloys）的新型材料，來捕捉這些寶貴的能量。形狀記憶合金能將熱能轉化為機械能，進而出現電力。該研究組組長艾倫·布朗（AlanBrowne）的第一個目標是，回收汽車排氣系統中散發的熱能，驅動車載空調或音響系統。

布朗計劃使用由數條平行的鎳—鈦合金薄線組成的合金帶來收集熱能，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之間來回變換：在較高溫度下較堅硬的本態與較低溫度下更為柔韌的狀態。在這個設計中，合金帶繞過呈三角形排列的3個滑輪。其中一角處的合金帶接近熾熱的排氣系統，而另一角則位于溫度較低的遠端。合金帶在高溫處收縮，低溫處伸張，就會讓自己沿這個三角環路轉動并帶動滑輪旋轉，進而通過軸承驅動發電機。溫差越大，環路轉動越快，出現的能量也就越多。

通用汽車公司制造的原型機由一條僅10克重的合金帶來出現兩瓦特功率，可以點亮一盞小燈。布朗聲稱，10年內，這種發電機出現的功率就會提高到商用的標準。他還補充說，為家用電器或發電廠冷卻塔安裝這種記憶合金熱力發電機，不存在任何技術障礙。該項目的合作者、美國HRL實驗室的材料科學家杰夫·麥克奈特（GeoffMcKnight）說，這種合金為先前被認為是無法實現的一些應用領域開辟了新天地，因為即使溫差只有10℃，它們也可以使用。

通用汽車公司的設計并不復雜，但離實用仍很遙遠。形狀記憶合金容易疲勞，會變得脆而易碎；要持續處理3個月才能重新回到“本態”的形狀記憶；合金線很難組合成帶；如何解決利用空氣來有效加熱和冷卻合金帶也是一個挑戰。布朗沒有具體說明目前如何解決這些問題，而只提到他們不斷調整合金線的直徑、形狀，以及加熱和冷卻的方式。換句話說，他們正在調試“科學上的和人能想象得到的”所有參數。

通用汽車公司并不是唯一一家試圖利用廢熱來出現能量的機構。美國伊利諾伊大學的桑吉夫·辛哈（SanjivSinha）正在研發一種可彎曲的固態材料，它也能將熱力轉化為電能。假如熱力發電機能被安裝在現有或未來的設備中，它就會有近乎無限的應用前景：從數千座的冷卻塔和工業鍋爐，到數以百萬計的家用暖氣、冰箱和煙囪，還有拖拉機、卡車、火車和飛機。全世界會有數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。

車輛工程

沖擊波汽車發動機

汽車油耗將降低80%

車輛工程沖擊波汽車發動機

一個多世紀以來，幾乎所有轎車和卡車都使用的是活塞式發動機。即便是目前最新型的混合動力車，以及雪佛蘭沃爾特電動汽車這樣的全新概念車，也都還在使用小型活塞式發動機來供應動力和為電池充電。然而，美國密歇根州立大學正在研發一種完全不同的、不使用活塞的發動機。它被稱為波—轉子發動機（wave-diskengine）或沖擊波發動機（shock-waveengine）。假如取得成功，未來混合動力汽車的油耗就能降低80%。

密歇根州立大學機械工程教授諾伯特·穆勒（NorbertMüller）是發明者之一，他說，這種緊湊型發動機僅有家用蒸鍋大小，要的部件也比活塞式發動機少得多。這種發動機將不再要活塞、連桿和汽缸。重量的減輕和燃油效率的提高“能在消耗同樣數量燃料的前提下，讓一輛裝備再生制動裝置的插電式混合動力車的行駛距離新增4倍，相應的二氧化碳排放量也會減少80%”。不僅如此，該系統還能使制造成本降低30%。

在位于美國東蘭辛的實驗室里，穆勒和他的研究組正在測試一部波—轉子發動機原型。他們的目標是，制造出一臺25千瓦（33馬力）功率發動機。他希望首臺發動機能量轉化效率可達30%左右，而目前最好的柴油發動機所能達到的效率是45%。但是，他對改進型發動機能夠將效率提升到65%持樂觀態度。

在傳統電火花點火發動機中，火花塞引燃汽缸中汽油和空氣的混合物，來推進活塞驅動曲柄軸，曲柄軸再帶動車輪旋轉。柴油發動機是通過活塞來高度壓縮燃料和空氣，將它們點燃。燃燒的氣體膨脹，將活塞推回去，進而帶動曲柄軸。

在波—轉子發動機設計中，出現動力的過程是在一個旋轉的渦輪中進行的。渦輪就像平放在桌面上的電腦風扇（轉子），有許多彎曲的葉片和外殼。壓縮后的高溫空氣和燃料經過位于中央的軸，被導入葉片之間的空隙。當高度壓縮的混合氣體被點燃時，燃燒的氣體在有限空間里急速膨脹而形成沖擊波，壓縮剩余部分的空氣；從外殼上反射回來的沖擊波也會進一步壓縮和加熱空氣。最后，經過壓縮和加熱的氣體會在恰當時機通過外殼釋放出去。壓縮氣體在彎曲的葉片上施加的力，和氣體噴射出現的力一起，驅動轉子旋轉，進而帶動曲柄軸。

據波—轉子發動機的另一發明人，波蘭華沙科技大學（WarsawUniversityofTechnology）的副教授雅努什·皮埃切納（Januszpiechna）介紹說，從1906年起，工程師們就開始研究波—轉子裝置了，而且它們已經被用在了一些賽車的增壓器里。但是，穆勒說，里面不穩定的氣流非常難控制。要想預測這些間歇性氣流極其復雜的非線性行為，要進行精細的數值計算，這類計算一直都因為太過費時或不夠精確而無法達到要求，該問題直到近幾年才得以解決。目前，密歇根州立大學和其他一些研究機構正通過高仿真模擬，來輔助葉片幾何形狀的精密設計，以及精確到零點幾秒的燃燒時間控制，期望得到最佳性能。

計算機模型能否最終變成在路上跑的實際產品，我們還不得而知?！安āD子技術的應用可能會很困難，”丹尼爾·E·帕克森（DanielE.paxson）說，他在美國特種航天局戈蘭研究中心（NASAGlennResearchCenter）從事流體模型設計。帕克森認為，密歇根州立大學的研究“毫無疑問是超前了”。他的評論既包含著務實的懷疑，更加有從創新角度的贊賞?！盁o論最終的結果是什么，我確信他們都會學到很多”。

穆勒相信，他的研究組最終能制造出合適的波—轉子發動機，并將它們成功應用于更清潔的混合動力車上，從小型摩托車到家用轎車和運輸卡車，他對此似乎毫不懷疑?！斑@只是時間、努力和想象力的問題，當然，還有資金問題”。

家用電器

磁體制冷機

能為冰箱和房間制冷的特殊合金

家用電器磁體制冷機

在日常生活中，我們通常使用空調、冰箱和冰柜來制冷，但它們都要能量驅動，所消耗的電能占到美國家庭耗電量的1/3。而一項依賴于磁體的全新制冷技術，能顯著降低這部分能耗。

大多數商業化制冷機，都是通過反復壓縮和膨脹氣體或液體制冷劑來制冷。隨著制冷劑的循環，能將熱量從房間或設備中吸出帶走。然而，壓縮機的能耗巨大，并且要是最常用的那些制冷氣體泄漏出去的話，它們的每一個分子對大氣層的加熱效率要比一個二氧化碳分子至少高1000倍。

美國宇航公司（AstronauticsCorporationofAmerica）的研究人員正在研發一種不使用壓縮機，而是基于磁體的新型制冷機。從某種程度上來說，所有磁性材料都會在被置入磁場后升溫，在移出磁場后降溫，這一特性被稱為“磁致熱效應”（magnetocaloriceffect）。原子通過自身振動貯存能量；而當外加磁場將金屬中的電子有序排列，并阻止它們自由移動時，金屬原子的振動就會加強，溫度隨之新增。移除磁場后，溫度則會降低。雖然這一效應早在1881年就被發現，但它的商用價值卻一直被人忽視。這是因為，從理論上來說，只有在極低的溫度下使用超導磁體，才能將這種效應最大化到出現可利用的效果。然而在1997年，美國能源部愛艾姆斯實驗室（U.S.DepartmentofEnergy’sAmesLaboratory）的材料科學家偶然發現，一種由釓、硅和鍺構成的合金能在室溫下顯示出巨大的磁致熱效應。自那時起，美國宇航公司還陸續把注意力集中在具有同樣性質的其他合金上。

目前，美國宇航公司正在設計一種空調，目標是為面積約100平方米的公寓或住宅制冷。這種空調里有一個小而平的、由某種此類合金制成的多孔楔形體構成的圓盤。在圓盤兩側，固定著一個環形永磁體。磁體中空，里面分布著強磁場。當圓盤旋轉時，每一個磁致熱楔形體會通過這個通道而升溫，然后繼續轉出磁場范圍而冷卻。在系統內部循環的液體被這些旋轉的楔形體反復加熱和冷卻，冷卻后的液體就能從房間中吸走熱量。精心設計的磁體能夠防止磁場從設備中溢出，所以它不會影響到附近的電子儀器或人身上的心臟起搏器。

在傳統制冷機中，核心部件是壓縮機。而在磁體制冷機中，核心部件是帶動圓盤旋轉的馬達，而馬達通常要比壓縮機的能量效率高得多。美國宇航公司的目標是在2013年制造出一臺原型機，能在達到同樣制冷能力的情況下將耗電量降低1/3。磁體制冷機還有一個額外的顯著優點：它只是用水來輸送熱量，“你沒法找到比水更環保的材料了，”美國宇航公司技術中心經理史蒂文·雅各布斯（StevenJacobs）說。

但是別說把這項技術實際應用于冰箱和冰柜，即便是僅僅制作一臺原型機，也要跨過許多障礙。首先，如何控制水流通過多孔的楔形體就是個棘手的問題，因為圓盤要以每分鐘360~600轉的速度高速旋轉。此外，磁體由一種昂貴的釹—鐵—硼合金制成，因此，假如要想商業化生產，在仍能保持供應足夠強磁場的前提下盡可能小型化也是必要的。正如加拿大維多利亞大學（UniversityofVictoria）的機械工程師安德魯·羅（AndrewRowe）所說：“這是一項高風險技術，但它有巨大的應用潛力，而且就其突出的性能而言，也值得去努力?！?/p>

研究人員還在試驗其他一些特殊制冷技術。美國Sheetak公司，正在研發一種完全不使用制冷劑的制冷設備，它依賴于一種所謂的“熱電材料”（thermoelectricmaterial），充電時，這種材料的一面變冷，而另一面變熱。不管怎么樣，降低燃料消耗和減少溫室氣體排放總會為我們帶來一個清涼的世界。

排放處理

更清潔的煤炭

用鹽來吸收火電廠排放的碳

排放處理更清潔的煤炭

煤炭是美國最便宜、最豐富的能源，但由于含碳量最高，它也是引起氣候變化的重要原因。工程師設計出了多種途徑和方法，以在火力發電廠排放廢氣前清除掉其中的二氧化碳，但這么做的最大問題是，這些工序會消耗煤炭燃燒所出現能量的30%，讓所謂的“可清潔燃燒煤炭”概念難以令人信服。

然而，清除廢氣中二氧化碳的設想確實令人向往，所以，美國能源部高級研究計劃局能源項目部以及其他一些機構，一直都在為此類可能降低該工序能耗的研究供應資金支持。

其中，美國圣母大學能源中心（UniversityofNotreDame’sEnergyCenter）的一種設計尤其引人注目，他們使用了一種被稱為“離子液體”（ionicliquid，本質就是一種鹽）的新型材料。這種材料的第一個好處是，它所能吸收二氧化碳的量，兩倍于其他化學結構類似的碳吸收材料。另一個優點是，在吸收過程中，這種鹽會經歷一個從固態到液態的相變，這種變化釋放的熱量能被回收利用，將碳從液體中汲出，便于后續處置。

“我們的模型顯示，應該能將（除碳工序的）能耗降低到22%或23%，”能源中心主任、化學工程師瓊·F·布倫內克（JoanF.Brennecke）說，“我們希望最終能降低到15%?！彼难芯繄F隊正在制造一個實驗室規模的裝置來演示這項技術。

這一技術聽起來還只是個理論設想，事實上也的確如此?！斑@是一個全新的概念，”布倫內克承認，“因為這些材料完全是最新的，”它們出現只有短短兩年。布倫內克的研究團隊的工作也才剛剛起步，無法預料的困難可能隨時出現。即便這一過程在實驗室里被證明是成功的，把它的規模放大到能應用于發電廠的級別，或許也不可行。

另外，假如碳汲取過程確實有效，收集到的碳又該如何存放？科學家眼中的最佳解決辦法是將它們注入地下多孔的巖石結構中，即所謂的“封存”（sequestration），這種方式已經過實地檢驗，但還缺乏大規模應用的驗證（參見《環球科學》2000年第10期《埋葬二氧化碳》）。另一種離實用更遙遠的概念是，將二氧化碳與硅酸鹽混合，即人為復制自然界中二氧化碳被束縛進碳酸鹽巖石的過程，使它喪失活性。

除了以上提到的這些困難，那些在煤礦開采和處理毒煤灰過程中的健康和環境威脅，都會讓環保人士一聽到“清潔煤炭”四個字就火冒三丈。