新世紀(jì)的物理學(xué)如何應(yīng)對能源和環(huán)境問題(I) 可再生與可持續(xù)能源篇(上)

1、新世紀(jì)的物理學(xué)如何應(yīng)對能源和環(huán)境問題（I）可再生與可持續(xù)能源篇（下）歐陽鐘燦（中國科學(xué)院理論物理研究所）2008年以來國際物理學(xué)界與能源問題有關(guān)的動向英國物理世界評出2008年物理學(xué)界月度12件大事；物理學(xué)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(xué)從IT到ET是否真代表21世紀(jì)物理學(xué)的研究大方向？物理學(xué)是否真能作為解決能源和氣候問題的帶頭學(xué)科？從2008年以來與物理學(xué)界有關(guān)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(xué)界月度12件大事，有肯定也有批評的，如四月：英國科學(xué)與技術(shù)設(shè)施委員會（STFC）受到批評;五月：頂級物理學(xué)

2、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(guān)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(xué)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(xué)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)生足夠的電力來為手機充電。十二月：奧巴馬任命物理學(xué)家為政府官員，新當(dāng)選總統(tǒng)奧巴馬的表現(xiàn)讓許多物理學(xué)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

3、原子方面的貢獻贏得了諾貝爾獎，并且堅定地認(rèn)為人類行為改變了氣候。朱棣文肯定會發(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(xué)家John Holdren做總統(tǒng)科學(xué)顧問。Holdren是環(huán)境政策教授，也是哈佛大學(xué)肯尼迪政治學(xué)院科學(xué)和技術(shù)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(guān)注科學(xué)，尤其是與氣候變化和其他環(huán)境問題。奧巴馬表示：“科學(xué)從沒有像今天這樣，成為了我們星球存在和國家安全和繁榮的關(guān)鍵?！蔽锢韺W(xué)家朱棣文被任命為美國能源部部長，說明在應(yīng)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

4、基礎(chǔ)研究入手，具有全新思維，多學(xué)科合作的科學(xué)問題。因此作為物質(zhì)科學(xué)的帶頭學(xué)科，物理學(xué)有義不容辭的責(zé)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(xué)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(shù)，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(xué)院大連化學(xué)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。現(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

5、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(xué)家，一個負(fù)責(zé)任的科學(xué)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）()，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(rèn)識到，能源供應(yīng)獨立性關(guān)系國家安全，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(jì)最重要的挑戰(zhàn)之一。有的媒

6、體宣傳傾向發(fā)展其它不算是嚴(yán)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(fù)雜，我們只有用交叉的辦法來解決。因此，出版一份基于有關(guān)這個問題的所有科學(xué)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，也是您的雜志，的成功將取決于眾多科學(xué)與工程交叉領(lǐng)域的作者、讀者以及編者的貢獻。目前，這個新雜志的涉及的領(lǐng)域包括：生物能、地?zé)崮?、礦物與水電能、核能、太陽能、風(fēng)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

7、），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(dāng)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(yù)支了屬于我們子孫后代應(yīng)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(yīng)如何應(yīng)對金融經(jīng)濟海嘯的具體方案同時，嚴(yán)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(shù)”。戈爾認(rèn)為，“上面的每一種方案不是太貴，就是嚴(yán)重污染?！备隊柹踔翆ⅰ?/p>

8、潔凈煤”斥為“只謀私利”和“自我欣賞”的技術(shù)。雖然，經(jīng)評審發(fā)表的論文不包括這些業(yè)已清楚不應(yīng)再受青睞的能源,但有關(guān)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(guān)媒體，如新華社、人民網(wǎng)、科學(xué)網(wǎng)有關(guān)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(xué)雜志都可能要發(fā)展的新模式。這個雜志由AIP出版，表

9、明物理學(xué)是真正能作為解決能源和氣候問題的帶頭學(xué)科。2008年國際上可再生和可持續(xù)能源進展在JRSE（）的Energy Related News and Media Articles欄目載有一篇Kevin Bullis在技術(shù)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而亂了軍心而重復(fù)1980年代的復(fù)轍。下面是該文列出的進展及筆者的點評：在風(fēng)能發(fā)電方面的進展。發(fā)表在2月8日Phys. Rev.

10、Lett.的一篇文章研究了鯨魚的鰭狀肢的空氣動力學(xué)，證實仿造鯨魚的鰭狀肢來制造風(fēng)機的葉片有利提高發(fā)電效率；加拿大ExRo Tech.公司設(shè)計了一款可在很廣風(fēng)速變化而保持效率的風(fēng)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(fēng)力發(fā)動機可以使風(fēng)力發(fā)電成本降低一半。顯然，物理的流體力學(xué)空氣動力學(xué)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

11、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(shù)中，材料科學(xué)、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(xué)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的太陽光的有機染料

12、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(shù)公司科學(xué)家最近發(fā)明了提高多晶硅太陽能電池效率27%，其3項關(guān)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(dāng)?shù)亩嗑Ч杼柲茈姵亍Ｄ壳暗奶柲茈姵孛慨a(chǎn)生1瓦的電力，需要2.1美元，1336的目標(biāo)是，開始1.65美元/瓦，今后為1.30美元/瓦，在2012

13、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(xué)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(xué)技術(shù)大學(xué)陳應(yīng)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(xué)家Peng Jiang等在硅材料上模

14、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(yīng)用物理快報（APL）及JRSE創(chuàng)刊號上。過去為半導(dǎo)體集成電路發(fā)展起來的薄膜、表面物理、分子光學(xué)物理在太陽能利用方面是大有作為的?？稍偕茉吹纳€。K. Bullis認(rèn)為如果沒有一個智能化大型的輸電網(wǎng)絡(luò)，風(fēng)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(fēng)力/火力聯(lián)合變電站的經(jīng)驗。德國是全世界使用風(fēng)力發(fā)電最多的國家，風(fēng)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(yīng)，Vattenfall風(fēng)力/火力聯(lián)合變電站，控制了41%全德的風(fēng)力發(fā)電量。電站的工程師每

15、天都得根據(jù)氣象預(yù)報計算每天應(yīng)關(guān)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(fēng)力發(fā)電加給德國。電網(wǎng)越大，過載導(dǎo)致的全面停電風(fēng)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(dāng)其沖就是智能化大型的輸電網(wǎng)絡(luò)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(lǐng)域，這也是近年發(fā)展起來復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)計物理的應(yīng)用領(lǐng)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