[人造樹葉,捕捉太陽光子]捕捉光子

　　不管如何提高發(fā)動機效率,如何采取節(jié)能措施,化石燃料的不可再生性,決定了它在人類能源發(fā)展歷程中終究是個華麗的配角。這個配角在舞臺上的表演也日漸力不從心了,全球每年需要消耗的能源為13太瓦(1太瓦=1萬億瓦),這個數(shù)字還在不斷上升。
　　面對如此嚴(yán)峻的能源形勢,科學(xué)家和普通公眾不約而同地將目光投向頭頂上的大火球,那可是功率達(dá)12萬太瓦的能量源。理論上,只要收集1小時的太陽能,就可以滿足人類全年的能源需求。
　　雖然太陽能早已成為一個我們耳熟能詳?shù)母拍?但總感覺“只聽樓梯響,不見人下來”,看看路燈頂上,以及概念建筑上的太陽能電池板,總覺得這種能源離我們似乎還很遠(yuǎn)。
　　
　　太陽能電池的瓶頸
　　過去的幾十年里,太陽能電池的效率有了長足的發(fā)展,但居高不下的制造成本仍大大限制了其使用范圍。也有科學(xué)家提出“以量取勝”的方案:將不宜居住和耕作的沙漠都鋪上太陽能電池板,理論上,只要一半面積的沙漠(65萬平方公里)就可以滿足人類每年的能源需求。
　　且不論這個方案中的電池板由誰買單,單單是電力傳輸和電池日常維護都不是能輕易解決的問題,畢竟,沙漠戈壁可不像我們家的屋頂和后花園。
　　目前,太陽能電池的理論使用壽命是20年,注意,這只是理論壽命!實際運營中,還要考慮到電池面的清潔,以及惡劣天氣帶來的意外損傷等情況。并且,制造成本著實不便宜,以目前常用的硅太陽能電池為例,在全使用期的發(fā)電售價是同期傳統(tǒng)電價的2倍。
　　新開發(fā)的高效率太陽能電池面板的制造費就更為昂貴了,特別是那種轉(zhuǎn)化效率達(dá)41%的復(fù)合型光合電池,一塊10厘米見方的電池造價高達(dá)數(shù)千美元,而電壓只有0.5伏,要想得到足以供家庭使用的太陽能電池板,需要將成千上萬片這樣的小單元拼合起來。連發(fā)明這種電池的德國夫瑯禾費太陽能研究所所長艾克韋伯都認(rèn)為:“這樣高的價格,真要買來安裝,誰都會猶豫的�！碑�(dāng)然,隨著加工技術(shù)的發(fā)展,諸如顏料敏化型電池、有機薄膜電池等新電池的產(chǎn)生,其生產(chǎn)成本有望降低。
　　不過,即使解決了能量轉(zhuǎn)化效率的問題,怎樣儲存能量也是個難題。電池是最常用的電能蓄積裝置,而目前用途最廣的蓄電池還是鉛蓄電池。這類電池有著很強的“記憶效應(yīng)”,反復(fù)充電和放電后,有效容量就會大大降低。當(dāng)然,以鋰離子電池為代表的新一代蓄電池就沒有“記憶效應(yīng)”的限制,不會自行放電,壽命也較長(一般為10年)。不過,缺點也是顯而易見的,那就是造價過高。目前為止,還沒有供住宅使用的大容量鋰電池。況且,電池都是以直流電形式供電,而要驅(qū)動家用電器就必須轉(zhuǎn)為交流電,轉(zhuǎn)化中約有10%的能量白白損失了。
　　想大規(guī)模推廣太陽能技術(shù),光能轉(zhuǎn)化效率和能量的有效儲存是兩個繞不開的大難題。
　　
　　人造樹葉的難題
　　最終,我們還是要學(xué)習(xí)自然界捕捉太陽光的的技術(shù)。從第一個綠色生命誕生算起,這套太陽光捕捉系統(tǒng)已經(jīng)運轉(zhuǎn)了27億年,在這個過程中不斷完善,成為一個極其精巧的能量系統(tǒng)。它們已經(jīng)做到了把光轉(zhuǎn)化成電,再轉(zhuǎn)化為固定狀態(tài)化學(xué)能,一氣呵成。
　　真實的光合作用過于精細(xì),涉及到輔助因子不下10種,單單是各種蛋白質(zhì)和輔酶的活動就需要苛刻的pH值和溫度,這還是相對好實現(xiàn)的條件。如果在人工條件下,把這條生產(chǎn)線“修建”在一個葉綠體膜之外的地方,還要保證其正常工作,對人們目前的技術(shù)水平來說,幾乎是一件不可能的任務(wù)。
　　專注于太陽能開發(fā)的美國加州理工學(xué)院的劉易斯教授指出,“我們希望設(shè)計出與綠葉光合作用盡可能相似的過程�！毖韵轮�意,就是要實現(xiàn)收集太陽光的功能,但是結(jié)構(gòu)又要盡量簡化。
　　對于人造樹葉,首先碰到的就是兩個難題,首先是怎樣用太陽光產(chǎn)生的電能將水拆分開來,其次是如何利用得到的高能電子制造出還原劑燃料。
　　要拆解水分子并不難,中學(xué)時我們就做過實驗,將電池的電極插入到硫酸溶液中,在正極收集到的就是氧氣,而負(fù)極收集到的則是氫氣。日本本田汽車公司的研究人員就制作了升級版的裝置,利用太陽能電池產(chǎn)生的電力將電解槽中的水分解成氫氣和氧氣�？紤]到太陽能電池的高昂造價,再加上昂貴的電極(鉑),這個方案著實不太靠譜。反觀綠葉,用的可都是碳、錳、鐵、鎂這些廉價的元素。
　　麻省理工學(xué)院的科學(xué)家諾塞拉(Daniel Nocera)和卡南(Matthew Kanan),在這方面已經(jīng)邁出了一大步。他們把銦和錫的氧化物做成的電極放置在鈷離子和磷酸鉀的水溶液中,然后在溶液中通入太陽能電池的電流。白天,用通常方法獲得的太陽能一部分可用于日常所需,一部分用來將水分解成氫氣和氧氣并將氫氣儲存起來。晚上,利用燃料電池,讓氫氣和氧氣反應(yīng)提供電能。這項研究最重要的意義是,大量使用的材料都是地球上供給豐富的材料,而非像鉑那樣的名貴金屬。
　　目前的半導(dǎo)體太陽能電池已經(jīng)嶄露頭角,用這些物質(zhì)制造成納米級的天線陣列足以吸收到足夠的光能。接下來就是將它們通通整合到一個裝置之上,也就是理想的“人工葉片”了。如果只是供燃料電池使用,按比例混合的氫氣和氧氣也能勉強勝任。但如果要驅(qū)動汽車,就需要純的能量密度更高的燃料了。解決辦法是,制造一種膜結(jié)構(gòu),將半導(dǎo)體天線插在上面。只讓氫離子通過這層膜,同時把氧氣擋在外邊;在氫離子通過之后,再從貫通膜的半導(dǎo)體天線上獲得電子,就變成了純氫氣。通過進(jìn)一步的純化和壓縮,就可以得到高能量密度的燃料。
　　當(dāng)然,氫氣并不是唯一的產(chǎn)物,通過納米技術(shù)的發(fā)展,我們甚至可以模擬葉綠體,制造出產(chǎn)生ATP的“生命發(fā)動機”,進(jìn)而制造出更多種類的高能量有機物質(zhì)。在不久的將來,從人工葉片流淌出的也許就是酒精。
　　
　　另類的氫氣來源
　　現(xiàn)在,還有另外一群人在繼續(xù)尋找并改造自然存在的光合工廠。
　　在綠色植物中,儲存在碳水化合物中并不是光能產(chǎn)生的化學(xué)能量的唯一出口。一些種類的綠藻和藍(lán)藻可以直接產(chǎn)生氫氣。與藻類柴油之類的利用途徑相比,直接利用氫氣大大節(jié)省了分離和純化能源的費用。
　　不過,產(chǎn)氫藻類的問題在于,光合作用產(chǎn)生的氧氣和氫氣是同時釋放的,并且氫氣的含量大多只占釋放氣體總量的20%左右。不過,在純氮氣或者惰性氣體條件下,產(chǎn)氫量可以翻倍。但是,純化氫氣仍舊是一個問題�？蒲腥藛T正嘗試用基因改造的手段,“制造”出專門產(chǎn)生氫氣的種類。
　　如何讓這些小小的綠色植物乖乖地交出氫氣,要解決的問題還有很多,不過,在這個過程中,我們可以進(jìn)一步了解植物的運作過程,為改進(jìn)人工樹葉積累寶貴的資料。能不能用上海藻產(chǎn)生的氫氣,我們可以拭目以待。
　　(本文作者為植物學(xué)博士)

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