能源與空間：應用領域

劉怡

商業航天

若從可操作性角度看，類似科幻影視劇《星際旅行》中的“企業號”星艦這樣的航天器在今天尚無實現的可能。1973年最后一次載人登月之旅結束后，各國宇航員還沒有飛出過距地球600公里以上的區域。參與過NERVA研發項目的NASA科學家萊斯·約翰遜認為，最早要到100年之后，當人類已經擁有了可控聚變核反應堆、面積足夠大的太陽帆，對月球進行了深度開發并在近地軌道建立起工業基地之后，才能奢望跨越星際。

但在較近的里程內，商業航天卻在成為諸多科技公司日益關注的領域。由谷歌聯合創始人拉里·佩奇和前CEO埃里克·施密特參與投資的“行星資源”（Planetary Resources）公司意在利用無人航天器開發小行星上的貴金屬。該公司與經營太空旅游業的維珍銀河公司（Virgin Galactic）合作，計劃在數年內將一臺50公斤重的望遠鏡發射到近地軌道，以進行初步的觀測和勘探。他們所看重的是小行星上存在的稀有金屬——鉑。利用望遠鏡對稀有金屬的存在加以確認，隨后將機器人送至距地球數百萬公里的地方，在零重力環境下提取礦石并加以精煉；或者將小行星拉至離地球較近的區域，再由其他航天工具加以采集——這是一條逐利的“空中絲綢之路”。除去采集和精煉貴金屬外，該公司也計劃在太空中生產水，以幫助火箭或其他航天器的燃料補給。

1982年成立的納斯達克上市公司軌道科學集團（OSC）主要從事人造衛星的制造和發射，至今已經生產出569枚運載火箭以及174顆衛星，其中僅2015年內就交付了82枚火箭與24顆衛星。2013年11月19日，該公司的“米諾陶”Ⅰ型火箭曾成功實現了一枚火箭將29顆衛星送入地球軌道的發射，創造了世界紀錄。除去“米諾陶”和“心宿二”兩個系列大型運載火箭外，該公司的另一項業務是利用洛克希德L-1011型噴氣式客機改造的“觀星者”平臺進行小型火箭的發射：“觀星者”上升至1.2萬米高空，18.5噸重的“飛馬座”小型火箭從機身下方點火發射，將443公斤以下的小型衛星送入低地軌道。這種發射方式無需地面發射架，火箭升空過程中不用面對強大的重力和空氣摩擦力，還能減少燃料攜帶，有效降低了成本。迄今為止的40次發射有35次成功。

2010年，OSC還曾參與NASA的商業載人太空飛行發展計劃的論證，提出研制一種尺寸只有航天飛機1/4大小的升力式太空飛機，每架能搭載4名宇航員，利用“大力神”Ⅴ型運載火箭發射，結束任務后自行降落在基地跑道上。盡管該方案最終未獲撥款，但在2013年4月，OSC成功地利用“心宿二”型火箭完成了一次虛擬載荷試射。這使得該公司成為全球第二家有能力將貨物運輸到國際太空站的民營航天企業。

當然，最吸引眼球的始終是埃隆·馬斯克這個“吃螃蟹者”。他的太空探索科技公司在第一個10年里相繼獲得10億美元以上的外部投資，開發出“獵鷹”系列運載火箭以及具備補給國際空間站能力的“龍號”貨運飛船。2012年5月22日，“龍號”首度完成對空間站的補給任務，理論上每次最多可承擔3噸物資載重。該公司的另一個項目“紅龍”則試圖以升級版的“獵鷹”火箭將“龍號”射入火星大氣層，以尋找當地生命存在的證據，并獲取潛藏于紅色土壤之下的水冰儲藏樣本?！凹t龍”項目的總預算預估為4.25億美元，大大低于官方預期——始終堅持以商業投資者的精明眼光和算計從事太空項目的開發，這或許才是馬斯克的成功之道。

智能電網

在節能領域，現階段受關注最多的往往是能源本身的屬性，而不包括傳輸體系這樣的“軟性”要素。但鑒于一切形式的能源和燃料都須以電力作為終端輸出，對電網本身進行升級和改造同樣成為值得關注的方向。融合有數字技術、雙向通信、監控、傳感以及互聯網的智能電網，遂也應運而生。

在這一網絡中，最基本也是最重要的裝置是智能電表。它能隨時將終端用戶的用電信息直接反饋給電力公司，并通過局域網監測家中每種電器的耗電量。各種電器的耗電量將實時反饋在控制表盤以及戶主的電腦和手機上，并可以通過軟件遠程調節電器功率乃至將其關閉。電表還會根據總負荷以及該地區的總體供電情況對實時用電狀況進行調節，例如當供電系統負載過大時，電表會自動調高空調溫度；當電動汽車進入車庫時，電表也會根據對家中用電狀況的長期監測，自動選擇用電需求最低的夜間時段執行充電任務。倘若電表監測到用戶的用電習慣符合電力公司對節能的優惠條件，還能給予電價方面的優惠。

除去電表以外，電網本身也需要加以智能化升級。傳統火力發電廠、水電站以及核電站的發電量是可以提前預知的，因此能以一種較精確的度量方式被送入電網。相比之下，可再生能源（如風電、太陽能）在發電時的波動性很強，高度依賴風力級數和陽光強度，需要保留替換選項和冗余，實現不同類型的裝機兼容。為實現大量可再生能源的并網、整個電力系統的平衡以及電壓穩定，避免電力事故發生，電網的規模和數字化水平都需要做進一步提升，包括須進一步增加電網的可靠性，以確保在惡劣天氣和地質災害下能夠自我修復。

一套具備自我修復能力的電網將配備具有實時監控能力的傳感器，計算機將自主評估問題的嚴重程度，并將應對方案呈送給少數操作人員。雙向通信系統則會將電網沿線的遠程變電站和控制室內的技術人員聯系起來，以縮短意外情況下的停電時間，并將停電限制在一個較小的范圍內。另外，雙向通訊系統還有助于限制外部因素（例如恐怖襲擊）對整個電力系統的影響，加速電力公司對供電干擾的反應，減少緊急搶險隊的派遣頻次。另外，智能電網還能促進建筑節能技術的應用，以實現建筑能效的進一步提高。

智能電網是一個高度復雜的系統。它的互動性更強，對信息技術和互聯網也更依賴，必須能抵御黑客以及各種網絡空間戰的攻擊，故須具備充分的信息安全保障。總的來看，新技術對電力系統的運行和建筑能效的積極影響將隨著時間的推移日益顯著，最終為人們提供一種更加綠色的生活方式。

生物燃料

最近10年，生物燃料尤其是乙醇燃料在美國已經成為炙手可熱的政治議題。全美與汽油混合使用的乙醇消耗量已經達到日均90萬桶以上，幾乎占到美國日均汽油消費量的1/10。聯邦政府計劃到2022年將這一數字增加到235萬桶，相當于從傳統能源市場節省了尼日利亞和委內瑞拉兩個OPEC成員國日均產量的總和。美國空軍也在飛機上試驗乙醇燃料的性能，海軍則制定了到2020年為止將一半液體燃料轉為生物燃料的目標。歐盟則要求其成員國到2020年為止將可再生能源的消費量占總能耗的比例提升到10%，而在發展生物燃料力度最大的巴西，汽車燃料的40%～60%系由乙醇制備。

在巴西，利用甘蔗制備乙醇已經形成龐大的規模：貨車將甘蔗直接傾入傳送帶，接著甘蔗被送入工廠的壓榨加工車間。壓榨后的液體經發酵變為乙醇后，首先會進入蒸餾塔，然后進入燃料罐，最后經悶罐車和管道運送到全國各地的加油站。每加侖乙醇燃料的生產成本僅為60美分。消費者只需花上100美元就能把汽車改裝成混合燃料車，既可使用乙醇燃料，也可加汽油。盡管乙醇的能量密度只及汽油的2/3，但因為價格便宜、補充便捷，很快獲得消費者的認可。僅2008年一年，巴西就售出了4萬輛乙醇動力汽車，該國也迅速由上世紀70年代的石油進口國（當時對進口原油的依賴率超過85%）轉變為凈出口國，反而增加了外匯收入。

甘蔗乙醇的另一項優勢在于，甘蔗渣和廢料纖維還可以被用于發電和生熱，這樣就進一步降低了化石燃料需求和能源成本。自2008年起，巴西的乙醇燃料銷量已經超過了汽油，并以日均30萬桶的速度繼續遞增。

除去甘蔗和玉米外，某些種類的霉菌、柳枝稷甚至農業垃圾也可以被用于制備乙醇，但加工成本相對較高。一些基因科技公司遂嘗試自行開發優良燃料作物品種。此外，新的生物燃料制取方式也正在孕育當中：其一是先將作物加熱到非常高的溫度，然后將產生的合成氣體轉化為液體燃料，過程與煤炭液化類似；另一種則是利用水解作用，先將作物與水和酸混合，再對其進行加熱、加壓，最終生物質會分解出乙醇。

另一種潛在的生物燃料原料則是藻類植物。從分子角度分析，藻類光合作用產生的脂類和油性部分非常適于生產汽油、柴油和航空煤油，其生成過程也很高效。單位面積的藻類植物產生的能量分別相當于單位面積棕櫚樹和玉米所產生能量的3倍和6倍。一些研究機構正在嘗試大規模繁殖培養藻類植物，并尋求應用基因技術研發一種具有完全活動能力、可以對全球能源供應產生重大影響的超級藻。美國能源部預計，到21世紀中葉，生物燃料將能夠滿足全球大約20%的能源消費需求。