能源与空间：应用领域

刘怡

商业航天

若从可操作性角度看，类似科幻影视剧《星际旅行》中的“企业号”星舰这样的航天器在今天尚无实现的可能。1973年最后一次载人登月之旅结束后，各国宇航员还没有飞出过距地球600公里以上的区域。参与过NERVA研发项目的NASA科学家莱斯·约翰逊认为，最早要到100年之后，当人类已经拥有了可控聚变核反应堆、面积足够大的太阳帆，对月球进行了深度开发并在近地轨道建立起工业基地之后，才能奢望跨越星际。

但在较近的里程内，商业航天却在成为诸多科技公司日益关注的领域。由谷歌联合创始人拉里·佩奇和前CEO埃里克·施密特参与投资的“行星资源”（Planetary Resources）公司意在利用无人航天器开发小行星上的贵金属。该公司与经营太空旅游业的维珍银河公司（Virgin Galactic）合作，计划在数年内将一台50公斤重的望远镜发射到近地轨道，以进行初步的观测和勘探。他们所看重的是小行星上存在的稀有金属——铂。利用望远镜对稀有金属的存在加以确认，随后将机器人送至距地球数百万公里的地方，在零重力环境下提取矿石并加以精炼；或者将小行星拉至离地球较近的区域，再由其他航天工具加以采集——这是一条逐利的“空中丝绸之路”。除去采集和精炼贵金属外，该公司也计划在太空中生产水，以帮助火箭或其他航天器的燃料补给。

1982年成立的纳斯达克上市公司轨道科学集团（OSC）主要从事人造卫星的制造和发射，至今已经生产出569枚运载火箭以及174颗卫星，其中仅2015年内就交付了82枚火箭与24颗卫星。2013年11月19日，该公司的“米诺陶”Ⅰ型火箭曾成功实现了一枚火箭将29颗卫星送入地球轨道的发射，创造了世界纪录。除去“米诺陶”和“心宿二”两个系列大型运载火箭外，该公司的另一项业务是利用洛克希德L-1011型喷气式客机改造的“观星者”平台进行小型火箭的发射：“观星者”上升至1.2万米高空，18.5吨重的“飞马座”小型火箭从机身下方点火发射，将443公斤以下的小型卫星送入低地轨道。这种发射方式无需地面发射架，火箭升空过程中不用面对强大的重力和空气摩擦力，还能减少燃料携带，有效降低了成本。迄今为止的40次发射有35次成功。

2010年，OSC还曾参与NASA的商业载人太空飞行发展计划的论证，提出研制一种尺寸只有航天飞机1/4大小的升力式太空飞机，每架能搭载4名宇航员，利用“大力神”Ⅴ型运载火箭发射，结束任务后自行降落在基地跑道上。尽管该方案最终未获拨款，但在2013年4月，OSC成功地利用“心宿二”型火箭完成了一次虚拟载荷试射。这使得该公司成为全球第二家有能力将货物运输到国际太空站的民营航天企业。

当然，最吸引眼球的始终是埃隆·马斯克这个“吃螃蟹者”。他的太空探索科技公司在第一个10年里相继获得10亿美元以上的外部投资，开发出“猎鹰”系列运载火箭以及具备补给国际空间站能力的“龙号”货运飞船。2012年5月22日，“龙号”首度完成对空间站的补给任务，理论上每次最多可承担3吨物资载重。该公司的另一个项目“红龙”则试图以升级版的“猎鹰”火箭将“龙号”射入火星大气层，以寻找当地生命存在的证据，并获取潜藏于红色土壤之下的水冰储藏样本。“红龙”项目的总预算预估为4.25亿美元，大大低于官方预期——始终坚持以商业投资者的精明眼光和算计从事太空项目的开发，这或许才是马斯克的成功之道。

智能电网

在节能领域，现阶段受关注最多的往往是能源本身的属性，而不包括传输体系这样的“软性”要素。但鉴于一切形式的能源和燃料都须以电力作为终端输出，对电网本身进行升级和改造同样成为值得关注的方向。融合有数字技术、双向通信、监控、传感以及互联网的智能电网，遂也应运而生。

在这一网络中，最基本也是最重要的装置是智能电表。它能随时将终端用户的用电信息直接反馈给电力公司，并通过局域网监测家中每种电器的耗电量。各种电器的耗电量将实时反馈在控制表盘以及户主的电脑和手机上，并可以通过软件远程调节电器功率乃至将其关闭。电表还会根据总负荷以及该地区的总体供电情况对实时用电状况进行调节，例如当供电系统负载过大时，电表会自动调高空调温度；当电动汽车进入车库时，电表也会根据对家中用电状况的长期监测，自动选择用电需求最低的夜间时段执行充电任务。倘若电表监测到用户的用电习惯符合电力公司对节能的优惠条件，还能给予电价方面的优惠。

除去电表以外，电网本身也需要加以智能化升级。传统火力发电厂、水电站以及核电站的发电量是可以提前预知的，因此能以一种较精确的度量方式被送入电网。相比之下，可再生能源（如风电、太阳能）在发电时的波动性很强，高度依赖风力级数和阳光强度，需要保留替换选项和冗余，实现不同类型的装机兼容。为实现大量可再生能源的并网、整个电力系统的平衡以及电压稳定，避免电力事故发生，电网的规模和数字化水平都需要做进一步提升，包括须进一步增加电网的可靠性，以确保在恶劣天气和地质灾害下能够自我修复。

一套具备自我修复能力的电网将配备具有实时监控能力的传感器，计算机将自主评估问题的严重程度，并将应对方案呈送给少数操作人员。双向通信系统则会将电网沿线的远程变电站和控制室内的技术人员联系起来，以缩短意外情况下的停电时间，并将停电限制在一个较小的范围内。另外，双向通讯系统还有助于限制外部因素（例如恐怖袭击）对整个电力系统的影响，加速电力公司对供电干扰的反应，减少紧急抢险队的派遣频次。另外，智能电网还能促进建筑节能技术的应用，以实现建筑能效的进一步提高。

智能电网是一个高度复杂的系统。它的互动性更强，对信息技术和互联网也更依赖，必须能抵御黑客以及各种网络空间战的攻击，故须具备充分的信息安全保障。总的来看，新技术对电力系统的运行和建筑能效的积极影响将随着时间的推移日益显著，最终为人们提供一种更加绿色的生活方式。

生物燃料

最近10年，生物燃料尤其是乙醇燃料在美国已经成为炙手可热的政治议题。全美与汽油混合使用的乙醇消耗量已经达到日均90万桶以上，几乎占到美国日均汽油消费量的1/10。联邦政府计划到2022年将这一数字增加到235万桶，相当于从传统能源市场节省了尼日利亚和委内瑞拉两个OPEC成员国日均产量的总和。美国空军也在飞机上试验乙醇燃料的性能，海军则制定了到2020年为止将一半液体燃料转为生物燃料的目标。欧盟则要求其成员国到2020年为止将可再生能源的消费量占总能耗的比例提升到10%，而在发展生物燃料力度最大的巴西，汽车燃料的40%～60%系由乙醇制备。

在巴西，利用甘蔗制备乙醇已经形成庞大的规模：货车将甘蔗直接倾入传送带，接着甘蔗被送入工厂的压榨加工车间。压榨后的液体经发酵变为乙醇后，首先会进入蒸馏塔，然后进入燃料罐，最后经闷罐车和管道运送到全国各地的加油站。每加仑乙醇燃料的生产成本仅为60美分。消费者只需花上100美元就能把汽车改装成混合燃料车，既可使用乙醇燃料，也可加汽油。尽管乙醇的能量密度只及汽油的2/3，但因为价格便宜、补充便捷，很快获得消费者的认可。仅2008年一年，巴西就售出了4万辆乙醇动力汽车，该国也迅速由上世纪70年代的石油进口国（当时对进口原油的依赖率超过85%）转变为净出口国，反而增加了外汇收入。

甘蔗乙醇的另一项优势在于，甘蔗渣和废料纤维还可以被用于发电和生热，这样就进一步降低了化石燃料需求和能源成本。自2008年起，巴西的乙醇燃料销量已经超过了汽油，并以日均30万桶的速度继续递增。

除去甘蔗和玉米外，某些种类的霉菌、柳枝稷甚至农业垃圾也可以被用于制备乙醇，但加工成本相对较高。一些基因科技公司遂尝试自行开发优良燃料作物品种。此外，新的生物燃料制取方式也正在孕育当中：其一是先将作物加热到非常高的温度，然后将产生的合成气体转化为液体燃料，过程与煤炭液化类似；另一种则是利用水解作用，先将作物与水和酸混合，再对其进行加热、加压，最终生物质会分解出乙醇。

另一种潜在的生物燃料原料则是藻类植物。从分子角度分析，藻类光合作用产生的脂类和油性部分非常适于生产汽油、柴油和航空煤油，其生成过程也很高效。单位面积的藻类植物产生的能量分别相当于单位面积棕榈树和玉米所产生能量的3倍和6倍。一些研究机构正在尝试大规模繁殖培养藻类植物，并寻求应用基因技术研发一种具有完全活动能力、可以对全球能源供应产生重大影响的超级藻。美国能源部预计，到21世纪中叶，生物燃料将能够满足全球大约20%的能源消费需求。