寻找奇迹的行动

美能源部资助多项新型汽车燃料技术

科技日报记者 刘霞 综合外电

　　据美国《纽约时报》近日报道，墨西哥湾漏油事件、对中东石油的依赖以及全球变暖等不断向美国敲响警钟：石油危机已迫在眉睫。很多专家认为，如果油箱中装满可再生能源、液态燃料或者更好的电池，而不再燃烧汽油和柴油等化石燃料，那么，很多问题都将迎刃而解。

　　美国启动“寻找奇迹的行动”

　　长期以来，可再生能源领域的研究既耗费金钱和精力，还有可能“竹篮打水一场空”，人们投入到该领域的热情并不高，风险投资人士也作壁上观。不过最近，美国联邦政府加大了对可再生能源研发的投入，能源部长朱棣文将其称为“寻找奇迹的行动”。

　　该行动是新成立的高级研究计划局——能源办公室（ARPA-E）工作的一部分，该机构旨在为高风险、高回报的项目提供资金。

　　ARPA-E将通过拨款支持突破性能源技术的发展，增强美国经济和能源安全，减少对进口石油依赖和能源相关的温室气体排放，提高所有经济部门的能源效率，确保美国在发展和部署先进能源技术上保持领先地位。

　　该机构计划在未来2年向已经取得深远影响的研究成果投入4亿美元，比如数千万辆可以利用清洁能源或者从树木和垃圾中提取的液态燃料，每天行驶300英里（约480公里）的机动车等。

　　不遗余力研发新电池

　　该行动中的一项奇迹是研制出性能更好的电池。在相同重量下，汽油所能提供的能量约是铅酸电池的3倍，是锂离子电池的6倍多，单位能量所需要的重量越小越好。

　　能源部官员大卫·丹尼尔森正在监管一项计划，向使用新方法制造电池的新兴公司进行投资，这是能源部的一项新战略。早在上世纪90年代，能源部就决定集中力量投入到锂离子电池的研发工作中，并且放弃了对其他化学物质的研究。

其中的一项新技术将使汽车能够在看到每个停止信号或者红灯信号时，以相当低的成本自动熄火。司机只要轻敲加速器，电池立马重新启动。现在，普锐斯混合动力汽车已可做到这一点，但是，其成本非常高。　　

另外一家新兴公司正在使用纤细的碳纳米管存储电力，其目标是制造出一种新电池，其大小与手电筒电池类似，但其容纳的能量仅为手电筒电池的30%，不过，这种新电池能够在两秒钟内实现充电，而且可以永远使用下去。

　　这种技术可能成为车用电池的一部分，为汽车的启动提供低成本能量，而不破坏传统的化学电池。传统电池可存储大量能量，但是其充电或者放电的速度很慢。

　　这项技术也可用来制造出在5分钟内完成充电的手机电池，这类电池被称为电容器。电容器是一种利用电场来储存能量的器件，比利用化学反应储能的电池效率更高。

　　超级电容器专家、麻省理工学院电气工程和计算机科学教授乔尔·辛达尔是该电容器的研发人员之一，他表示，电容器就是原生态的电池。本杰明·富兰克林曾经使用很多玻璃瓶来存储电能，然后突然将其释放，这些玻璃瓶也可称为电池，可以瞬间燃烧起来。  

　　但是，碳纳米管电容器技术则很现代。碳纳米管管壁的厚度约为12个原子大小，并且能够像小草的叶子一样生长，它们之间的空隙足以让带电粒子游动，于是，很多带电粒子能够填满一个小的空间，使得其结构非常轻。因为这种联系是物理过程，而不需要经过化学反应，带电粒子能够很快地接触并且分开，这样，得到的电池非常小巧、轻薄而且功能很强大。

　　据国外媒体报道，去年3月，美国麻省理工学院（MIT）的科学家成功研制出了一种革命式电池，可以在短短10秒钟内，为手机完成充电程序，使充电时间大幅减少数小时。该电池由吉布兰德·塞德尔教授和其学生共同研发而成，其充电速度是传统电池的100倍，除手机外，它还可以为手提电脑、数码相机甚至电动汽车充电。

　　研究人员预计，这种革命式电池将于两三年内面世。由于其充电快速，为电动汽车充电时间仅需约五分钟。MIT的研究人员表示，该电池使用的生产材料与现有电池完全相同，因此很容易大量生产。

　　目前，塞德尔还成立了一家公司专门着手“材料基因组”的研发工作。材料基因组使用计算机来预测能用来制造电池的材料的性质，当计算机找到富有潜力的材料后，能够将其组装出来，研发人员因此可更快地研发出新的电池材料。

　　该理念也获得了能源部官员的青睐，美国能源部投入了320万美元资助其研发。目前，公司打算用镁来制造电池。现在所用的电池中，无论是锂离子电池还是传统的铅酸电池，随着电池的充电和放电，只有一个电子在阳极和阴极间穿梭。但是，镁原子携带两个电子，因此存储同样能量，电池的大小和重量可能只有普通电池的一半。

　　向植物索要能源

　　ARPA-E资助的另一项研究是将植物和树木中贮藏的巨大能量转化为汽车燃料。

　　科学家们很早就受到植物和树木的诱惑，因为它们蕴藏的能量远比汽车、卡车、火车、飞机消耗的要多，而且，它们获得能量的方式是从大气中提取二氧化碳，能量以纤维素的形式存储。      

　　然而，纤维素很难分解。工程师们已经尝试使用蒸汽、酸和酶来将纤维素分解为有用的糖，在这些过程中使用的酶通常是修改了基因的细菌，这些细菌溶解纤维素的能力非常强。在能源部的帮助下，许多研究人员正在寻找各种新方法，但是到目前为止，还没有一种方法进入商业化阶段。

　　迈克尔·拉布创办的Agrivida公司正在修改草和高粱的基因以研发出一种能自己生成酶的植物，而且，该植物内的酶能够在适当时候自行降解植物细胞壁中的纤维素，只留下能够将其变为汽油、柴油和航空用油的棕黑色糖类混合物。

　　这种植物可在其细胞内部生成一种光滑的不与其他物质发生反应的分子，但对植物加热或改变其酸性时，这些分子会四分五裂。植物内的酶可以撕开细胞壁，留下有用的糖块。

　　人们很早以前就知道，不管是普通的咖啡糖还是其他形式，糖类经过发酵后都可以转变为酒精；现在，人们还知道，可以把糖喂给经过基因改造的细菌以直接生产出柴油、汽油的组成成分，还可以使用催化剂通过化学手段把它们转换成酒精。 

　　所有上述步骤，包括那个具有很高技术含量的从纤维素中提取糖类的方法，都已经可以实现，但成本较高还无法进行工业化生产。

　　能源部向Agrivida投资了460万美元，也向其他一些新兴公司投入了大量资金，这些公司也在想方设法寻找汽油替代品。但是，一位官员表示，所有这些公司的创意只是“真实的科幻小说素材”，它足以吸引到几百万的研究基金却不能吸引到足够多的私人资金以进行小规模的生产。