世纪人类面临的大科技难题.pdf
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http:
/www.engineeringchallenges.org21世纪人类面临的14大科技难题21世纪人类面临的14大科技难题人类面临的人类面临的1414大科技难题大科技难题21世纪21世纪1如何经济有效地利用太阳能2核融合发电3研发二氧化碳封存技术4控制氮循环5使全球民众喝上洁净水6可持续发展的城市规划7建立人体健康信息系统8开发基因药物9对人脑的逆向工程10防止核恐怖事件11保护网络空间12增强虚拟现实13发展个性化学习14推动自然科学的发展1如何经济有效地利用太阳能2核融合发电3研发二氧化碳封存技术4控制氮循环5使全球民众喝上洁净水6可持续发展的城市规划7建立人体健康信息系统8开发基因药物9对人脑的逆向工程10防止核恐怖事件11保护网络空间12增强虚拟现实13发展个性化学习14推动自然科学的发展2月15日,美国国家工程院公布由专家评选出的人类在21世纪面临的14大科技挑战,内容涉及四大主题:
环境的可持续性、健康、减少易被攻击性和生活乐趣。
这些挑战由美国全国科学基金会邀请来自各个领域的专家评选,评选结果已由来自50多个领域的其他专家审阅。
专家认为,如果这些难题被攻克,人类生活质量将有所提高。
我们的翻译工作希望能为未来我所科研创新工作提供借鉴和参考。
由于14大科技挑战涉及领域广泛,而我们的英语和专业知识水平有限,翻译中在所难免出现了诸多错误或不确切之处,请读者谅解。
人类面临的人类面临的1414大科技难题大科技难题21世纪21世纪如何经济有效地利用太阳能如何经济有效地利用太阳能污染和水污染等问题。
与其它矿物燃料相比,煤炭的使用更易增加大气中二氧化碳的含量。
太阳能资源丰富,即可免费使用,又对环境无任何污染,是新型可再生能源之中的首选,它是解决未来能源短缺问题的有效出路。
但太阳能的开发利用尚存在诸多挑战。
目前太阳能利用中存在如下几个技术上的薄弱环节:
太阳能的收集、转化、蓄能(即把晴朗白天的太阳辐射能尽量贮存起来以供夜间或阴雨天使用)。
针对这三个方面,迄今已经研究出各种各样的技术手段,并取得了不同程度的成功。
例如,可以依靠集热器对太阳能进行采集,通过加热水或空气将太阳能转化成热能,再进一步通过热力学循环来发电,即太阳能热利用。
另外,还可以依靠光伏装置把太阳光直接转化成电能太阳能光电池。
太阳能光电池的效率太阳能光电池的效率当前已经商业化的太阳能电池主要是硅太阳能电池,其效率通常只有10%-20%。
考虑其制备费用后,太阳能电池的发电成本是当前电价的3-6倍,即18-30美分/千瓦。
所以,为了使太阳能发电变得更经济,就需要努力改善电池的效率,降低电池的制备成本。
改善太阳能电池的效率是很有希望的。
虽然受硅材料的电子特性的影响,当前标准硅太阳能电池的最大理论转换效率只有31%。
但对电池的材料和结构等进行改进,有望突破上述极限值。
如:
多带隙电池的效率可达34%,实验室中用的太阳能电池效率已经超过40%。
改进太阳能电池效率的另一个方法是应用纳米技术,即在原子或分子尺度上(即纳米尺度,一个纳米为十亿分之一米)研究物质结构。
最近有实验报道:
采用元素铅和硒的纳米晶,将有助于提高太阳能电池效率。
Schalleretal.原因如下所述。
普通的光电池吸收一个太阳光子后,一部分能量用于产生一个电子,还有一部分入射能量会损失为热能。
而在铅和硒的纳米晶中,每吸收一个光子形成多于一个的电子,即多重激子产生的MEG效应,MEG提供了将普通光电池中损失的热能转化为额外电能的机会。
另外,也有实验表明,采用硅纳米晶时也会发生这个现象。
理论预测,纳米技术有望使光电池的效率达到60%或更高。
当然,在实际应用中,由于受各种因素的影响,此值会偏低。
另外,基于此类纳米晶的太阳能光电池的电路设计与结构也需要进一步开发。
Beardetal.目前,在全球所消耗总能量之中,太阳能利用的比重很小尚不到1%。
但其应用潜力远不止于此。
作为一种能量来源,没有什么可以与太阳相比。
太阳不停地释放出巨大能量,这些能量远大于以往人类技术所能生产的各种能量。
太阳释放的能量不断辐射到宇宙空间中,只有很小一部分到达地球表面,但即使这些也相当于现在人类所利用能源的一万多倍。
太阳能的重要性太阳能的重要性太阳能对人类能源需求的贡献是巨大的全球的太阳能发电是一个数十亿美元的产业,且仍在增长之中。
即便如此,目前太阳能产业在总能源市场中占的比例仍然很小,不足全球消耗总能量的1%,而矿物燃料(如煤、石油、天然气等)则占到了约85%。
这些矿物燃料不是一种永久性的主要能量来源,它们终将开采殆尽。
除此之外,现有的油、气供应也不能满足快速增长的能源需求态势。
在矿物燃料中,煤炭资源丰富,但其直接燃烧会带来大气如何使太阳能更加经济?
如何使太阳能更加经济?
用某些新材料来制备太阳能电池,可以降低其制备成本。
加利福尼亚理工学院的化学家NathanLewis曾在Science杂志上撰文:
太阳能电池材料领域的突破,将大大降低太阳能发电的成本,促进其全球性应用。
Lewis799太阳能光电池材料的一个重要指标是纯度。
材料内缺陷的存在会阻碍载流子的移动,造成载流子复合,光能损失,所以当前光电池材料对纯度有一定的要求,而这导致成本增加。
若载流子在材料中的传输距离短到可与其散射长度相当(即载流子只需传输通过很薄的材料),这样以来缺陷/纯度就不是一个很敏感的问题了。
但是材料很薄时也会有弊端:
不能吸收足够的阳光。
为此,科学家们想到两种方法。
第一,设计这样的材料:
使其沿一个方向很厚(用于吸收太阳光),沿另外两个方向很薄(载流子的传输方向)。
纳米棒的固态光伏电池就是这个原理,光沿纳米棒的轴向被吸收,载流子沿径向传输。
第二,借助染料分子来承担吸收太阳光的任务(并给出载流子),即染料敏化纳米晶电池,其中的二氧化钛纳米晶用于收集载流子。
但就目前来看,上述两类电池的光电转化效率较低,提高其市场竞争力尚需进行很大的改进。
如何存储太阳能如何存储太阳能尽管太阳能电池在效率和成本方面已经有了很大的改进,但为了使太阳能成为连续、稳定的能源,还必须很好地解决蓄能问题,即把晴朗白天、阳光充足地带的太阳辐射能尽量贮存起来以供夜间或阴雨天、阳光稀少地带使用。
目前蓄能也是太阳能利用中较为薄弱的环节之一。
为大容量、长时间、经济地贮存太阳能,科学家研究了很多技术,如抽水蓄能、大规模太阳能电池组/发电站等,将太阳能转换为(水)电能进行贮存,但这些技术的转换效率较低。
最近新发展起来的超导贮能、飞轮储能等新技术则大大提高了效率及灵活性。
Ranjanetal.,2007另一种可能的储能途径是人工模拟光合作用分解水的过程即光解水制氢。
从分解水的角度而言,在绿色植物光合作用中,首先是光合作用通过光氧化水放氧储能,然后是二氧化碳的同化反应,通过光化学反应储存了氢,同时也储存了碳。
太阳能分解水制氢,只需从原理上去模拟光合作用的吸光、电荷转移、储能和氧化还原反应等基本物理化学过程。
氢燃烧后只生成水,洁净无污染,是一种绿色能源,可用于氢燃料电池汽车等。
光解水制氢的关键在于研制和开发出具有高效率的催化剂。
天然催化剂存在于生物活性细胞内的酶的催化效率远远优于现有的工业催化剂。
科学家正在致力于研制能够与天然酶相媲美的催化剂,以期提高光解水的效率。
基于光解水的氢燃料电池将成为太阳能产业中备受瞩目的明星行业。
太阳能是极具优势的新能源。
倘若能够在太阳能电池的成本、效率、有效蓄能方面取得技术突破,那么太阳能将以绝对优势取代化石燃料,成为一种取之不尽、用之不竭的永久性能源,促进人类文明的繁荣兴旺。
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10.1103/PhysRevLett.92.186601人类面临的人类面临的1414大科技难题大科技难题21世纪21世纪什么是核融合什么是核融合核融合是太阳能量的来源。
在太阳内,极高温和重压把特定元素的原子核压缩成更重的原子核,这个过程中质量有轻微损失,根据质能方程E=mc2,该过程损失的质量汇聚转化为巨大能量。
核融合能提供干净的能源,然而地球上的反应器无法制造出太阳内部那种高压,只能靠比太阳更高的热度来弥补这方面的不足。
科学界主要是利用氢的同位素氘(重氢)和氚(超重氢)来进行核融合。
地球上的海洋能确保氘的供应源源不绝。
氚则具有放射性,在自然界非常罕见,但透过简单的核反应方程式,就能把锂转变为氚,用来和氘进行融合。
几公吨锂就可以每年产生1000兆瓦特的电。
而锂这种元素,在地壳和海水中蕴藏量丰富,因此供应也不是问题。
如何控制核融合如何控制核融合人工核融合已经历了小规模的试验示范阶段,目前的问题是如何将其推广为一种经济、有效、环境友好的产业。
一项旨在探索核融合可控性的大型国际科技合作项目国际热核聚变实验反应堆(ITER)将在法国南部卡达拉舍建造。
参与这一计划的有欧盟、美国、俄罗斯、日本、韩国、印度和中国。
ITER的目标是成功达到维持聚变反应所必需的功率(500兆瓦),并且至少使这种状态保持300秒钟。
届时ITER将成为首个能够稳态、高效、无限的核能源的工程。
科学家正在研究各种各样的新方法来完成核融合反应。
其中最具可行性的方式就是磁力约束带电粒子来控制核融合。
实现磁力约束,需要一个能够产生足够强的环形磁场的装置托克马克(tokamak),在这台装置的真空室内加入反应物质,在超过10万摄氏度的磁场中,原子中的电子就脱离了原子核的束缚,形成等离子体。
带电粒子会沿磁力线做螺旋式运动,所以等离子体就这样被约束在这种环形的磁场中。
ITER将全力建造和测试托克马克装置,以求达到对超高温等离子体的稳定约束。
ITER项目从2009年开始建造,预计在2016年组装完毕,并进行放电实验,产生等离子体,到2025年输出功率达到50万千瓦的能量(但不涉及发电)。
ITER的初衷即是扫清技术障碍,严加安全措施,让核聚变能源为全人类服务。
什么是核聚变反应堆运行中的障碍什么是核聚变反应堆运行中的障碍首当其冲的是聚变堆包层材料问题。
等离子体环绕在屏蔽包层的环形包套中,屏蔽包层将吸收50万千瓦热功率及核聚变反应所产生的所有中子(更高级的装置中还将涉及到在包层中产生氚)。
包层的设计要求覆盖了抗辐射结构材料、氚增殖材料、中子倍增材料的选择以及包层的有效冷却等问题。
核融合发电核融合发电人工核融合发电已经历了小规模的试验示范阶段。
为了促进其商业推广,要在提高效率,降低成本,减少对环境的不良影响等方面下功夫。
如果核融合发电(FusionEnergy)一旦成功,那么笔记本电脑锂电池中所含的锂足以供您及家人15年的用电要求。
锂可以提供核融合所需的一种关键元素氚,用来和氘(氚,氘皆为氢的同位素)进行核融合。
理论上来说,基于锂和氢的核融合可以为人类提供永无匮乏之虞的新能源核能。
为了全方位打造核聚变反应堆,除了包层材料外,还需要在超导磁铁、真空系统等方面进行诸多改进。
为解决上述所面临的问题,各国科学家正在共同努力。
例如,欧盟和日本正在计划成立国际核材料辐射机构,用于核材料的开发与测试。
另外,机器人维护修复项目也正在进行之中。
一旦突破这些障碍,核聚变将为人类提供无限的能量。
核聚变产能是否安全核聚变产能是否安全从安全角度看,核聚变的反应产物是无放射性污染的氦。
另外,由于核聚变需要极高温度,一旦某一环节出现问题,燃料温度下降,聚变反应就会自动中止。
也就是说,聚变堆是次临界堆,绝对不会发生类似前苏联切尔诺贝利核(裂变)电站的事故,它是安全的。
因此,聚变能是一种无限的、清洁的、安全的新能源。
这就是为什么世界各国,尤其是发达国家不遗余力,竞相研究、开发聚变能的原因所在。
从安全角度看,一个失控的核子反应堆系统是不具任何危险的只需停止原料供应即可。
另外,就辐射问题而言,关键是控制好第一代等离子的产生,因为接下来由中子引发的链式反应的辐射就很小了。
总之,核能是一种几乎取之不尽、用之不竭的洁净能源。
建造安全、有效、可靠、低成本的核反应堆是核能商业化的关键所在。
进入21世纪,核聚变研究在世界上取得了一些令人鼓舞的成果,向着实用化方向迈出了一大步。
今后,我们要加快其研究发展,以期早日使核能造福于人类。
ReferencesGirard,J.P.,etal.2007.ITER,safetyandlicensing.FusionEngineeringandDesign82(5-14):
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10.1016/j.fusengdes.2007.03.017.Holtkamp,N.2007.AnoverviewoftheITERproject.FusionEngineeringandDesign82(5-14):
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Oxford,U.K.DOI:
10.1016/B0-12-176480-X/00305-3.人类面临的人类面临的1414大科技难题大科技难题21世纪21世纪二氧化碳所带来的问题二氧化碳所带来的问题在工业革命发生之前,空气中的二气化碳含量大约是280pp(每100万份空气中含280份二氧化碳)。
工业革命以来,人类创造了巨大的财富,但这是以排放巨量的二氧化碳为代价的。
在200多年的时间里,大气中的二氧化碳含量从280ppm上升到380ppm,并还在继续上升,而地球能承受的极限是450ppm。
二氧化碳如同是地球的“被子”,能够捕捉来自宇宙的热量,为地球在宇宙中遮挡寒冷(否则地球上所有的生物都可能被冻死)。
但这条“被子”不能太“厚”,如果地球的温度过高,就会引发一系列生态危机,如海平面上升、病虫害增加、海洋风暴增多等等,直到地球完全不适宜居住。
人为二氧化碳排放的主要来源是能源生产和交通运输中的化石燃料燃烧。
遏制二氧化碳的排放是极困难的,除非我们能很快不烧化石燃料。
但我们可以采取另外一种途径减少二氧化碳含量:
捕获二氧化碳,储存起来,使其远离大气层。
什么是二氧化碳的封存什么是二氧化碳的封存二氧化碳封存即是对燃烧化石燃料所产生的二氧化碳进行捕获、储存,使其长期与大气隔绝。
如何捕获二氧化碳如何捕获二氧化碳二氧化碳的收集有3种方式:
后燃烧捕集法、富氧燃烧法、预燃烧碳捕集技术。
后燃烧捕集法是在排放废气中把二氧化碳捕获,是目前从大气中捕获二氧化碳的主要方法。
由于燃烧后排放的废气中二氧化碳浓度不高,因此必须利用化学吸附剂从废气中把二氧化碳捕获住,使得捕获成本偏高。
不少饮料和干冰制造厂皆采用这种方法来攫取二氧化碳,同样的方法也运用在燃烧煤炭的火力发电站。
届时电厂的烟囱将被“吸收塔”取代,塔内的化学物质会把二氧化碳从氮、水蒸气等其它气体中分离出来并加以吸收。
化学物质经处理后会与二氧化碳分开并送回吸收塔重新使用。
还有一种由燃烧源头直接产生高浓度二氧化碳的方法,就是利用富氧燃烧。
一般燃烧是以空气提供燃烧所需的氧气,氧气浓度仅为21%,若以高浓度或95%以上的氧气,则成为富氧燃烧。
这时燃料中的碳与氢在纯氧中燃烧,由于少了空气中的氮气,燃烧后的废气中含有90%以上的二氧化碳,便不需要再经分离步骤,就能直接把二氧化碳压缩封存或再利用。
目前科学家正在研究如何以更经济的方式制造纯氧。
预燃烧技术是基于从煤气化或高压下天然气蒸汽转化得到的高含氢气混合物中分离二氧化碳的一种技术。
这种技术不仅方便了二氧化碳的分离,还可用于大规模制氢。
研发二氧化碳封存技术研发二氧化碳封存技术二氧化碳捕获与封存对减少全球温室气体排放具有深远的意义,将为减缓气候变化带来希望。
二氧化碳是造成全球变暖的主要温室气体之一。
为有效缓解全球变暖的趋势,要减少二氧化碳的排放,或者将排放的二氧化碳捕捉并储存在地下或海洋里。
二氧化碳的封存技术二氧化碳的封存技术将二氧化碳注入能量衰竭的油层,可提高油气田采收率,同时对于保护环境也有积极意义。
二氧化碳纯度在90%以上即可用于提高采收率。
二氧化碳在地层内溶于水后,可使水的黏度增加20%30%,运移性能提高23倍;二氧化碳溶于油后,使原油体积膨胀,黏度降低30%80%,油水界面张力降低,有利于提高采油速度、洗油效率和收集残余油。
二氧化碳一般可提高采收率7%15%,延长油井生产寿命1520年。
二氧化碳来源可从工业设施如发电厂、化肥厂、水泥厂、化工厂、炼油厂、天然气加工厂等排放物中回收,既可实现使气候变暖的温室气体的减排,又可达到增产油气的目的。
不过枯竭的油田和天然气田无法将大量二氧化碳全容纳,科学家正考虑将二氧化碳贮存在地下含盐水气孔的多孔岩层内。
适合的二氧化碳地下地点通常应当远离任何地下饮用水源,至少距地表800米。
在地下800米深处,环境压力是大气压力的80倍,压力高得足以使注入的二氧化碳处于液体或“超临界”状态,在这个状态,二氧化碳的密度几乎与它要取代的地层中水的密度相同。
地下封存要考虑到二氧化碳的泄漏问题。
多孔岩层内的二氧化碳犹如数以百计的氦气球,上面坚硬的岩石则好比马戏团的帐篷。
帐篷如有裂缝或表面倾斜,气球得以顺势往一旁向上移动,就能脱离帐篷。
地质学家最好选择封存储层具有良好封闭性的冠岩,必须搜索岩层内有渗漏之嫌的缺陷,还要确认可能导致岩石破裂的注入压力值。
就阻隔二氧化碳返回大气层的目的而言,把二氧化碳灌注于海底沉积物中时,会有更佳的隔离效果。
上方巨大的水压及海水良好的密闭性有效的防止了二氧化碳的泄漏。
这种方式尤其适合近海区域,但增设成本较高。
另外,我们也可以利用二氧化碳与海水中的钙离子产生化学反应,形成碳酸钙,提升二氧化碳的封存量及封存稳定性。
二氧化碳封存概念已经经历约25年的研究并取得了很大进展。
但截止目前为止,在大规模封存上尚存在技术及成本问题。
对此,我们仍将坚持不懈地努力。
正如哈佛地理学家DanielSchrag认为的一样:
一想到万亿吨二氧化碳所带来的严重后果,困难就不是那么显著了。
Schrag,p.812ReferencesHerzog,H.,andD.Golomb.2004.CarbonCaptureandStoragefromFossilFuelUse.EncyclopediaofEnergy,ed.C.J.Cleveland.Vol.1.ElsevierScience:
.Lal,R.2004.CarbonSequestration,Terrestrial.EncyclopediaofEnergy,Vol.1(ElsevierInc.).Schrag,D.P.,etal.2007.PreparingtoCaptureCarbon,”Science315,p.812.DOI:
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植物从周围环境(包括大气)中吸收氮用以生产食物,地球上的化学物质和生命是通过氮循环相联系的。
控制农业生产对全球氮循环的影响成为可持续发展所面临的严峻挑战。
氮是氨基酸(构成蛋白质的基元)和核苷酸(构成DNA的基元)的基本成分,因此所有的生物都需要它。
幸运的是,地球上的氮几乎是用之不竭的它是空气的主要成分,占将近80%。
它在空气中以氮分子的形式存在,每个氮分子由两个氮原子构成。
然而,氮分子很难参加化学反应,因此空气中的氮不能被有机生命直接利用。
在自然界中,只有闪电和某些有特殊化学能力的微生物可以把氮分子分解。
这类微生物通常生活在土壤中,有时与一些植物的根共生。
这些微生物通过酶的催化作用将环境中的氮分子转化成可以被植物吸收的养分,这个过程被称为固氮作用。
植物将这种被固定的氮转化成有机氮这种氮可以与碳结合成各种各样的分子,这些分子构成了植物和以植物为食的动物。
与这种过程相反的是脱氮作用。
在脱氮过程中,生物体将含氮的养分作为它们的能量来源,并将氮分子释放到大气中,这样就完成了氮的循环。
脱氮过程会产生一些对大气有污染的含氮的副产物。
氮循环过程存在什么问题氮循环过程存在什么问题目前,微生物固氮(闪电也有少量作用)几乎是氮从环境中到生物体的唯一途径。
然而,目前人类生产的氮的养料破坏了自然界的氮循环,在人类活动所引起的固氮作用中,有一半以上是由肥料引起的。
另外一个重要因素是种植豆类植物,包括大豆和苜蓿。
这类植物是固氮微生物的宿主,因此会使生长它们的土壤富氮。
第三个因素是燃料燃烧时产生的氮的氧化物,燃烧产生的高温使空气中的氮分子分裂。
这些人类活动使固氮作用的发生比工业时代之前增加了一倍,而这种变化将导致温室效应的加剧、臭氧层的变薄、烟雾和酸雨的增加以及饮用水的污染。
我们为什么应该关注氮循环我们为什么应该关注氮循环氨生产企业每年从大气中使用将近1亿立方米的氮气用以合成氨,在生产过程中产生的高温和高压给生物酶催化固氮
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