新世纪的物理学如何应对能源和环境问题(I) 可再生与可持续能源篇(上)

1、新世纪的物理学如何应对能源和环境问题（I）可再生与可持续能源篇（下）欧阳钟灿（中国科学院理论物理研究所）2008年以来国际物理学界与能源问题有关的动向英国物理世界评出2008年物理学界月度12件大事；物理学家朱棣文被任命为美国能源部部长；美国物理联合会（AIP）出版研究杂志可再生与可持续能源杂志。物理学从IT到ET是否真代表21世纪物理学的研究大方向？物理学是否真能作为解决能源和气候问题的带头学科？从2008年以来与物理学界有关的几个动向可以给出正面的回答：英国物理世界评出2008年物理学界月度12件大事，有肯定也有批评的，如四月：英国科学与技术设施委员会（STFC）受到批评;五月：顶级物理学

2、家转移阵地，如霍金接受了加拿大PI的一份兼职工作；都是属于批评的。但两件与能源问题有关的都是正面的，如二月：从人的运动中获取能量，报道了2个非常独特的装置能够从人的运动中获取能量，英属哥伦比亚西蒙弗雷泽大学Max Donelan和同事介绍了他们发明的发电装置膝行拉条（knee brace），他们表示这一装置功率只有5瓦特。同时美国佐治亚理工学院王中林小组展示了一种织物，如果用于长途旅行者的裤子中的话，能够产生足够的电力来为手机充电。十二月：奥巴马任命物理学家为政府官员，新当选总统奥巴马的表现让许多物理学家和环境保护主义者感到高兴，他任命诺贝尔奖得主朱棣文为能源部部长。朱棣文曾因在用激光冷却捕获

3、原子方面的贡献赢得了诺贝尔奖，并且坚定地认为人类行为改变了气候。朱棣文肯定会发展不产生大规模温室气体的能源。奥巴马也任命了物理学家John Holdren做总统科学顾问。Holdren是环境政策教授，也是哈佛大学肯尼迪政治学院科学和技术规划及国家政策主管，他同时也是林洞研究中心（Woods Hole Research Center）主管。这两项任命都表明奥巴马想要关注科学，尤其是与气候变化和其他环境问题。奥巴马表示：“科学从没有像今天这样，成为了我们星球存在和国家安全和繁荣的关键。”物理学家朱棣文被任命为美国能源部部长，说明在应对气候、能源问题，不单是气象局或石油煤矿部门能源局的问题，而是要从

4、基础研究入手，具有全新思维，多学科合作的科学问题。因此作为物质科学的带头学科，物理学有义不容辞的责任。朱棣文自从2004年出任能源部所属的劳伦斯伯克莱国家实验室主任以来，一方面鼓励科学家致力于替代能源的研究，开发降低温室气体排放的技术，另一方面积极推动与工业界的合作，石油巨擘英国石油公司（BP）就出资5亿美元资助该国家实验室（BP也与中国科学院大连化学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长时说：“我们总是说等到完全确定时再开口。但是在环境问题上，等到你确定时，却为时已晚。现在，大多数人宁可花1000美元修一个大理石厨台，也不愿用这笔钱来改善厨房的能源利用效率。”对于为何进行

5、工作转型，他说：“开始的时候我只是作为一个公民对这个问题感兴趣。但是我逐渐看到气候变化的后果是多么危险。作为一个科学家，一个负责任的科学家，我们必须思考我们做什么才能改变这一局面。”他不仅反对化石燃料的滥用，甚至对某些新能源也提出了批评。美国物理联合会（AIP）2009年一月正式出版研究杂志可再生与可持续能源杂志（JRSE）()，在创刊号，两位主编发文指出，虽然目前再生能源占全世界使用能源不足1%，但大家认识到，能源供应独立性关系国家安全，为减少重要原油的消耗，降低全球气候变暖的有害性，我们必须强烈提高使用再生能源的信心，这是21世纪最重要的挑战之一。有的媒

6、体宣传倾向发展其它不算是严格的可再生能源，如核能等。但我们还是提倡使用可持续的、无害的、不引起气候突然变化的能源。对此，我们不能再有平常的生意经，问题是如此的复杂，我们只有用交叉的办法来解决。因此，出版一份基于有关这个问题的所有科学与工程概念的杂志不仅是适时而且是必需的。基于这么宽广的定义，这份杂志，也是您的杂志，的成功将取决于众多科学与工程交叉领域的作者、读者以及编者的贡献。目前，这个新杂志的涉及的领域包括：生物能、地热能、矿物与水电能、核能、太阳能、风能、能的转换、节能建筑、能的储存、电力输送、再生能源的评估与运输，但暂时不涉及能源政策，生物燃料（Biofuels，指曾经为活质的燃料，如煤

7、），生物炼制燃料（Biorefining，如玉米油），清洁化石燃料（Clean fossil fuels），以及杂化可再生能源。煤与石油被排除在外是理所当然，近代经济高速发展，我们不仅用掉了祖先们省吃俭用积累的这两种能源，而且预支了属于我们子孙后代应有的部份。2007年诺贝尔和平奖的获得者，美国原副总统阿戈尔2008年11月9日纽约时报上的文章，变革的大气候正在形成，在提出了美国应如何应对金融经济海啸的具体方案同时，严厉地批评了用“更昂贵和更肮脏的方案来增加石油产量，如煤变油，从页岩中取油，用沥青沙炼油，和所谓的清洁煤的技术”。戈尔认为，“上面的每一种方案不是太贵，就是严重污染。”戈尔甚至将“

8、洁净煤”斥为“只谋私利”和“自我欣赏”的技术。虽然，经评审发表的论文不包括这些业已清楚不应再受青睐的能源,但有关能源政策，全世界媒体对能源问题的报道却可以在网上杂志附带的其它栏目，Top Stories、Most Recent Related Articles和Energy Related News and Media Articles查阅。笔者曾对照查阅国内有关媒体，如新华社、人民网、科学网有关能源，特别是可再生能源的国外报道，发现都可在这个新杂志上述附加栏目一网打尽。特别是，这个杂志还附有博客，提供作者、读者、以及编者的直接讨论，这将是科学杂志都可能要发展的新模式。这个杂志由AIP出版，表

9、明物理学是真正能作为解决能源和气候问题的带头学科。2008年国际上可再生和可持续能源进展在JRSE（）的Energy Related News and Media Articles栏目载有一篇Kevin Bullis在技术评论 杂志（2009年1月5日）写的文章“The Year in Energy”大概能比较权威把2008年的可再生和可持续能源进展展现出来，这篇文章一开头就告诫可再生和可持续能源的改革派千万不要为今年石油价格的回落而乱了军心而重复1980年代的复辙。下面是该文列出的进展及笔者的点评：在风能发电方面的进展。发表在2月8日Phys. Rev.

10、Lett.的一篇文章研究了鲸鱼的鳍状肢的空气动力学，证实仿造鲸鱼的鳍状肢来制造风机的叶片有利提高发电效率；加拿大ExRo Tech.公司设计了一款可在很广风速变化而保持效率的风机，使得发电平均效率提高50%；美国FloDesine Wind Turbine公司发明了一种新的风力发动机可以使风力发电成本降低一半。显然，物理的流体力学空气动力学在此大有用场。在电动车方面的进展。Tone Chemical公司，ExxoMobil Chemical公司的子公司，发明了一种锂离子电池电极隔板的高分子添加材料，造出了不会爆炸的锂离子电池，这个发明的意义可与2006年苹果、戴尔两大电脑公司紧急召回数百万台笔

11、记本电脑事件联系起来；Better Place公司开始在以色列与丹麦建立一个雄心勃勃的电动车电池充、换网站计划，他们计划与雷诺公司生产电动汽车配合，在以色列50万个路口安装充、换站，达到每6个停车场一个，在丹麦也大约这个规模。澳大利亚、美国加州、夏威夷也宣布有该公司的计划，但愿最近的金融危机不要危及这些计划，这样普及电动汽车，对节约石油最现实的第一步就有可能很快实现。在上面两个普及电动车的瓶颈技术中，材料科学、凝聚态物理、统计物理都有用武之地。太阳能利用方面的进展。麻省理工学院（MIT）的 Marc Baldo等在Science 发表的一个实验结果在玻璃板镀上高效吸收不同波长的太阳光的有机染料

12、的玻璃板做集光器，染料吸收光后会发出光并投射到玻璃板上的硅太阳电池单元，大大降低普通用曲面镜与透镜及机械跟踪系统做集光器的成本，使这种电池板发电能像用煤发电一样便宜。MIT另一家名为1366的技术公司科学家最近发明了提高多晶硅太阳能电池效率27%，其3项关键的发明之一是在电池表面增加纹理从而增加光线在硅板里停留的时间。多晶硅太阳能电池要比昂贵的单晶硅太阳能电池转换效率低，但要便宜许多，27%的效率提升意味着可以较低的成本生产出与单晶硅太阳能电池效率相当的多晶硅太阳能电池。目前的太阳能电池每产生1瓦的电力，需要2.1美元，1336的目标是，开始1.65美元/瓦，今后为1.30美元/瓦，在2012

13、年左右达到1美元/瓦，与煤炭发电竞争。“水+光=油”，同样是在MIT，化学家Daniel Nocera利用植物光合作用的方法，找到一种便宜的染料催化剂使水在光照下分解成氧气与氢气，达到储备太阳能的方法。尽管大家把新一代的太阳能电池寄托在硅太阳电池的进化：如有机薄膜太阳能电池（原理同有机EL，即OLED），特别是染料敏化太阳能电池（DSC）。但从2008年上述进展来看，硅太阳电池仍然有许多潜力可挖，主要是在集光器的研究上，中国科学技术大学陈应天提出的4倍体碗型集光器是一种宏观几何处理，而上述两款则深入到纳米几何及分子光物理性质，代表更先进可行的方向。如华人科学家Peng Jiang等在硅材料上模

14、拟了飞蛾眼睛不反光的结构特性，从而为解决由光线反射造成的太阳能电池效率损失开辟了新的思路，该工作发表在应用物理快报（APL）及JRSE创刊号上。过去为半导体集成电路发展起来的薄膜、表面物理、分子光学物理在太阳能利用方面是大有作为的。可再生能源的生命线。K. Bullis认为如果没有一个智能化大型的输电网络，风能与太阳能发电成不了大气侯。他介绍了位于原东柏林Vattenfall风力/火力联合变电站的经验。德国是全世界使用风力发电最多的国家，风电达到22250兆瓦，约合22个煤火力电厂，可满足全德6%的电力供应，Vattenfall风力/火力联合变电站，控制了41%全德的风力发电量。电站的工程师每

15、天都得根据气象预报计算每天应关闭的火力电厂，欧盟委员会已决定到2030年将把北海和波罗德海地区另外25000兆瓦的风力发电加给德国。电网越大，过载导致的全面停电风险越大，如1965年北美大停电。德国的可再生能源发电已达到14%，这对美国造成了压力，新任总统奥巴马已计划在任内把美国的可再生能源发电从现在的1%提高到10%，到2025达到25%。而首当其冲就是智能化大型的输电网络的建造问题，因为美国并没有德国现在具有的举国体制。这也是为什么JRSE要把电力输送列入可再生能源的基本研究领域，这也是近年发展起来复杂网络统计物理的应用领域。沙漠中没有汽车的零排放城市。2008年5月阿布扎比（阿拉伯联合酋长国之一）计划建立一个世界目前最大的可再生能源实验城，将有50000个居民与