編者按：鑑於奧巴馬政府重新關注如何在不向大氣中排放過多溫室氣體的情況下為國家供電，我們刊登了這篇來自2006年9月刊的專題報道。
為了讓這個世界保持我們所希望的宜居狀態，人類必須完成一場技術變革的馬拉松，其終點線遠遠超出地平線。普林斯頓大學的羅伯特·H·索科洛和斯蒂芬·W·帕卡拉將這一壯舉比作一場多代人的接力賽。他們概述了一項贏得前50年賽段的戰略，透過抑制一個世紀以來不受約束加速的二氧化碳排放。現有技術，如果明智且及時地應用，應該可以將我們帶到這第一個里程碑，而不會踐踏全球經濟。這是一個穩妥的A計劃。
然而，該計劃遠非萬無一失。它取決於社會加大一系列減碳措施，形成七個“楔子”，每個楔子都將250億噸碳保留在地下，不進入大氣。任何緩慢的起步或早期的停滯都會使我們偏離軌道。一些科學家擔心，到2056年，穩定溫室氣體排放將需要多達18個楔子，而不是索科洛和帕卡拉在其最廣泛引用的模型中預測的七個。
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紐約大學的物理學家馬丁·I·霍弗特認為，假設碳排放量的增長速度將慢於經濟產出和能源使用量的增長速度是錯誤的。他指出，隨著石油和天然氣價格的上漲，能源行業正在透過重新轉向煤炭而“重新碳化”。霍弗特說：“美國、中國和印度計劃建造約850座燃煤發電廠，這些國家均未簽署《京都議定書》。”“到2012年，這些工廠的排放量將是京都減排量的五倍。”
即使A計劃奏效，今天的青少年在退休前完成接力賽的第一賽段，這場比賽也只完成了一半。接力棒將在2056年傳遞給新一代，進行馬拉松的下一段，可能也是更難的部分：到2106年將二氧化碳排放率減半。
因此，世界遲早會需要一個B計劃：一種或多種根本性的新技術，它們加在一起可以提供10到30太瓦的電力，而不會排放一噸二氧化碳。自20世紀60年代以來，能源愛好者一直在探討許多這樣的瘋狂想法。現在是認真對待它們的時候了。“如果我們現在不開始為能源系統的革命性變革建設基礎設施，”霍弗特警告說，“我們將永遠無法及時做到這一點。”
但要建設什麼呢？下面的調查評估了一些最有希望的選擇，以及一些流行的但不太可能的選擇。它們都不是確定的事情。但是，這些想法中的一個可能會成為人類文明的新引擎。
* 現實因素代表從1（不可能）到5（準備上市）的估計技術可行性
1. 核聚變--現實因素：3*
充滿幻想的物理學家指出了無限燃料和極少廢物的希望。但政治家們畏懼聚變的價格標籤，並擔心被燒傷
聚變反應堆——透過連線原子而不是分裂原子來產生核能——幾乎是每個人心目中人類的終極能源技術。透過利用引發太陽的相同強大的熱核力，聚變電廠每天只需從幾公斤燃料中提取千兆瓦的電力。它的氫同位素燃料將來自海水和鋰，一種常見的金屬。反應堆不會產生溫室氣體，並且會產生相對少量的低放射性廢物，這些廢物將在一個世紀內變得無害。加利福尼亞大學聖地亞哥分校能源研究中心主任、聚變專家法羅赫·納吉馬巴迪說：“即使電廠被（事故或襲擊）夷為平地，圍欄外一公里的輻射水平也會很小，以至於沒有必要疏散。”
問題在於，聚變是否能在21世紀做出巨大貢獻，還是一個22世紀的解決方案。通用原子公司能源集團負責人大衛·E·鮑德溫負責監督美國最大的聚變反應堆DIII-D，他說：“十年前，一些科學家質疑聚變是否可行，即使在實驗室裡也是如此。”但過去20年中，託卡馬克裝置取得了顯著進步，這種裝置使用巨大的電磁線圈將電離燃料限制在甜甜圈形的腔室內，同時將等離子體加熱到超過1億攝氏度。
“我們現在知道聚變是可行的，”鮑德溫說。“問題在於它在經濟上是否可行”——如果是的話，聚變能以多快的速度從目前的實驗形式轉變為大規模商業反應堆。“即使有一個速成計劃，”他說，“我認為我們需要25到30年”才能開發出這樣的設計。
到目前為止，政治領導人選擇以更慢的速度推進聚變。在首次提出近20年後，國際熱核實驗反應堆（ITER）現在才接近最終批准。如果按計劃明年開始建設，這座耗資100億美元的反應堆應該會在2016年在法國東南部開始執行。
與此同時，印度、中國和韓國正在完成的中間代託卡馬克裝置將測試由超導材料製成的線圈是否可以將燃燒的等離子體在其磁瓶內旋轉數分鐘。目前的反應堆在電源耗盡之前，最多隻能維持幾十秒鐘。
ITER旨在實現三個主要目標。首先，它必須證明大型託卡馬克裝置可以控制氫同位素氘和氚聚變成氦的過程足夠長的時間，以產生其消耗能量的10倍。第二個目標是測試如何利用反應產生的高速中子來繁殖氚燃料——例如，將其射入周圍的鋰層。第三個目標是整合商業聚變電廠所需的各種技術。
如果ITER成功，它不會向電網增加一瓦特的電力。但它將使聚變超越核裂變能源在1942年達到的里程碑，當時恩里科·費米主持了第一次自持核鏈式反應。裂變反應堆在11年後為潛艇提供動力。然而，聚變是一個無比困難的問題，該領域的一些資深人士預測，需要20到30年的ITER實驗才能改進生產廠的設計。
納吉馬巴迪更為樂觀。他領導的一個工作組已經為商業聚變反應堆設計了三個粗略的設計。最新的名為ARIES-AT，它的佔地面積更小——因此資本成本更低——比ITER更低。ARIES-AT機器將以每千瓦時大約5美分的價格生產1,000兆瓦的電力，與今天的燃油和燃氣發電廠具有競爭力。納吉馬巴迪認為，如果商業工廠的工作與ITER並行開始，而不是在ITER上線數十年後才開始，那麼聚變可能會在世紀中期準備好擴大生產規模。
霍弗特認為，如果利用託卡馬克產生的高速中子將釷（相對豐富）轉化為鈾（50年後可能稀缺），然後在核裂變電廠中用作燃料，那麼聚變的成本競爭力將更高。“聚變倡導者不希望玷汙其清潔形象，”霍弗特觀察到，“但聚變-裂變混合動力可能是未來的發展方向。”
2. 高空風能--現實因素：4*
最強的狂風翱翔在當今渦輪機的頂部之上。新的設計將升得更高——甚至可能達到急流
風是運動中的太陽能。進入大氣層的陽光大約有0.5%轉化為空氣的動能：平均而言，地球上每平方米大氣柱中的能量僅為1.7瓦。幸運的是，這種能量並非均勻分佈，而是集中在強氣流中。不幸的是，最大、最強大和最穩定的氣流都在高空。霍弗特估計，地球上大約三分之二的風能位於對流層上層，超出了當今風力發電場的範圍。
華盛頓卡內基研究所的肯·卡爾代拉曾經計算過風能如何隨海拔、緯度和季節變化。最大的寶藏是急流，位於北半球20到40度緯度之間10,000米（33,000英尺）高空。在美國、歐洲、中國和日本上空——實際上，許多最適合利用它的國家——風能飆升至每平方米5,000甚至10,000瓦。急流確實會遊蕩。但它永遠不會停止。
如果風能要為全球能源預算貢獻太瓦級電力，工程師們將不得不發明經濟實惠的方法來開採這個寶藏。三種高空設計正在積極開發中。
位於安大略省渥太華的馬根動力公司計劃明年開始銷售一種旋轉的、充氦發電機，該發電機利用馬格納斯效應（最著名的是為旋轉的高爾夫球提供升力）漂浮在離地面高達122米的繫繩上。這種公共汽車大小的裝置將在其地面站產生4千瓦的電力，零售價約為10,000美元——不包括氦氣。該公司計劃到2010年生產更高、1.6兆瓦的裝置，每個裝置都像一個足球場大小。
“我們研究了氣球；它們產生的阻力在高風中似乎難以控制，”加利福尼亞州拉莫納的 Sky WindPower 公司的 Al Grenier 說。Grenier 的公司轉而採用自旋翼機，它像直升機一樣用旋翼捕獲風力。這些機器升至 10,000 米的高度時，可以實現其峰值容量的 90%。而地表風的不穩定性限制了地面渦輪機只能達到大約一半的水平。但該公司一直在努力籌集 250 千瓦原型機所需的 400 萬美元。
荷蘭代爾夫特理工大學的宇航員 Wubbo J. Ockels 和他的學生們設計的“梯磨機”仍處於概念階段。Ockels 設想用一根長繫繩連線一系列計算機控制的風箏。風箏梯上下移動，在上下搖擺時帶動地面上的發電機。該系統的模擬結果表明，一個延伸到急流的梯磨機可以產生高達 50 兆瓦的能量。
在高空機器投入使用之前，沒有人能夠確定它們在湍流、陣風和雷擊下會表現如何。高昂的維護成本可能是它們失敗的原因。
此外，還有監管障礙需要清除。高空風電場比地面風電場需要的土地少，但其運營商必須說服國家航空機構限制附近的飛機交通。Grenier 指出，這有先例：美國空軍多年來一直在該國南部邊境上空高空飛行多達十幾個大型繫留式飛艇。
然而，按照革命性技術的標準來看，高空風力發電看起來相對簡單且無害。
3. 科幻解決方案 -- 現實因素：1*
未來主義的願景是很好的娛樂。可惜物理學原理不允許
3-A：冷聚變和氣泡聚變 1989 年，B. Stanley Pons 和 Martin Fleischmann 聲稱在瓶子中實現了室溫聚變，引起了軒然大波。這個想法吸引了一批鐵桿支持者，但主流科學家普遍否定了這種冷聚變。
理論上更合理——但仍然存在實驗爭議——的是聲聚變。2002 年，當時在橡樹嶺國家實驗室的物理學家 Rusi Taleyarkhan 在《科學》雜誌上報道說，將高強度超聲波和中子束射入丙酮容器中，會導致微小的氣泡形成，然後以超音速內爆。丙酮是用氘（一種含中子的氫形式）製成的，Taleyarkhan 的小組聲稱，內爆氣泡內部產生的極端溫度和壓力迫使一些氘原子與入射的中子融合，形成氚（每個原子有兩個中子的氫）。橡樹嶺的另一個小組重複了該實驗，但沒有看到明顯的聚變跡象。
Taleyarkhan 搬到普渡大學，繼續報告聲波聚變的成功，即使其他人嘗試但失敗了。普渡大學今年調查了關於 Taleyarkhan 干預同事工作的指控，這些同事的工作似乎與他自己的工作相矛盾。調查結果被封存——也給冷聚變的令人失望的歷史又添一筆。其他研究人員仍然抱有希望，希望不同的方法有朝一日能夠翻開聲波聚變的新篇章。
3-B：物質-反物質反應堆
傳說中的企業號星艦使用物質和反物質的混合物為曲速引擎提供動力；我們為什麼不能？這種組合無疑是強大的：每公斤的物質和反物質透過相互湮滅，釋放出的能量大約相當於去年美國燃燒的所有汽油釋放的能量的一半。但是，目前沒有已知的反物質天然來源，因此我們必須合成它。而世界上最高效的反物質製造機，日內瓦附近的歐洲核子研究中心的粒子加速器，必須不間斷地執行 100 萬億年才能製造出一公斤的反質子。
因此，即使物理學家有辦法捕獲奇怪的反原子[見“製造冷反物質”，作者：Graham P. Collins；《大眾科學》，2005 年 6 月]，反物質發電廠也永遠不會實現。
4. 太空太陽能 -- 現實因素：3*
如果在軌道上安裝面板，那裡陽光最強烈——而且總是陽光充足——太陽能真的可以騰飛。但有一個問題
1968 年，當 Peter Glaser 提出城市大小的衛星可以從深空獲取太陽能並以看不見的微波形式將其傳回地球時，這個想法似乎很遙遠，即使考慮到 Glaser 作為國際太陽能學會主席的資歷。但 1970 年代的石油危機導致燃料價格飆升後，美國宇航局的工程師對該計劃進行了長時間的仔細研究。這項技術似乎可行，直到 1979 年，他們估計了“首次發電成本”：3050 億美元（以 2000 年美元計算）。這就是該專案的終結。
然而，自那時以來，太陽能和空間技術取得了巨大進步，太空太陽能（SSP）仍然有它的支持者。Hoffert 列舉了高空陣列可以勝過其陸基同行的兩個巨大優勢。在地球陰影和大氣層之外的地球靜止軌道上，陽光的平均強度是地面的八倍。而且由於太陽始終在它們的視線中，SSP 站可以將可靠的、固定數量的電力輸送到電網中。（一個覆蓋數平方公里土地的整流天線，或“整流天線”，即使被雲層遮擋，也可以將微波轉換為電流，效率約為 90%。）
“SSP 提供了一種真正可持續、全球規模且零排放的電力來源，”Hoffert 辯稱。“它比受控熱核聚變更具成本效益和技術可行性。”然而，他抱怨說，對太空太陽能的研究資金極少，而一個耗資 100 億美元的聚變反應堆剛剛獲得批准。
美國宇航局實際上在 1995 年至 2003 年期間資助了一些小型研究，評估了各種 SSP 元件和架構。這些設計利用薄膜光伏技術發電，高溫超導體傳輸電力，以及紅外雷射器（取代微波發射器）將電力傳輸到地面站。這些高科技創新使 SSP 工程師能夠降低系統的重量，從而降低了將它們發射到軌道的巨大成本。
但問題是：功率有效載荷比率（每公斤幾百瓦）仍然太低。在它提高之前，即使考慮到地面替代能源需要用於平抑夜間和惡劣天氣低谷的儲能系統，太空太陽能也永遠無法與其它可再生能源的價格相匹配。
然而，技術進步可以迅速改變遊戲規則。更輕或更高效的光伏材料正在開發中]。例如，今年 5 月，瑞士納沙泰爾大學的研究人員報告了一種在太空堅固的薄膜上沉積非晶矽電池的新技術，該技術可產生每公斤 3,200 瓦的功率密度。領導美國宇航局從 1995 年到 2003 年的 SSP 計劃的 John C. Mankins 說，儘管這令人鼓舞，“問題在於支撐結構和電源管理”。Mankins 認為，目前正在設計中的先進的地球到軌道空間運輸系統更有希望，這些系統可能會在未來幾十年內將發射成本從每公斤 10,000 美元以上降低到幾百美元。
日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）去年宣佈計劃在 2010 年發射一顆衛星，該衛星將展開一個大型太陽能陣列，並將 100 千瓦的微波或雷射功率傳輸到地球上的接收站。該機構的長期路線圖要求在 2020 年之前飛行一個 250 兆瓦的原型系統，為十年後的千兆瓦級商業 SSP 工廠做準備。
美國宇航局曾經也有類似的宏偉設計，但兩年前，當其優先事項轉向太空探索時，該機構在很大程度上停止了 SSP 的工作。
5. 奈米技術太陽能電池 -- 現實因素：4*
從原子層面上設計的材料可以將光伏效率從可悲的水平提高到盈利的水平
5 吉瓦——僅佔全球能源消耗總量的 0.038%。大約來說，這就是太陽能電池首次商業化半個世紀後，全球所有已安裝的光伏 (PV) 電力系統的累計容量。在最未能實現潛力的類別中，太陽能發電是一項無與倫比的技術。
即使軌道陣列永遠無法升空，奈米技術現在看起來可以拯救太陽能，使其擺脫長期的無關緊要的地位。工程師們正在研究各種材料，這些材料超越了當今大多數光伏電池中使用的塊狀矽，從而提高了它們的效率和成本。
最先進（且最昂貴）的第二代矽電池可實現約 22% 的效率。如果今年 3 月報告的發現如預期般實現，那麼摻雜了量子點的新材料可能會使這一效率翻倍。這些點的寬度均小於 100 億分之一米，由科羅拉多州國家可再生能源實驗室和新墨西哥州洛斯阿拉莫斯國家實驗室的小組建立。
當陽光照射到矽電池時，大部分最終都變成了熱量。最好的情況下，一個光子可以擊落一個電子。量子點可以使更廣泛的波長髮揮作用，並且每個光子可以踢出多達七個電子。這些電子中的大多數很快會再次卡住，因此工程師們正在測試更好的方法來將它們輸送到電線中。他們還在尋找比當今奈米晶體中的鉛、硒和鎘更環保的點材料。儘管它們的名字聽起來很高科技，但這些點的製造成本相對較低。
另一種型別的奈米顆粒有望幫助太陽能在價格上具有競爭力。在舊金山附近，Nanosolar 正在建造一座工廠，該工廠將透過在連續的超薄薄膜捲上印刷奈米級的銅銦鎵二硒化物顆粒，每年生產 2 億個電池。這些顆粒會自組裝成光收集結構。Nanosolar 的執行長表示，他的目標是將成本降至每瓦 50 美分。
這種熱潮喚醒了能源巨頭。殼牌現在擁有一家生產太陽能電池的子公司，而英國石油公司在 6 月啟動了與加州理工學院為期五年的專案。其目標：由矽奈米棒製成的高效太陽能電池。
6. 全球超級電網 -- 現實因素：2*
革命性的能源需要一個覆蓋全球的革命性超導電網
霍弗特觀察到：“可再生能源的一個基本問題是供需匹配。”陽光、風、波浪，甚至生物燃料作物的供應都會以不可預測的方式時有時無，而且往往集中在人煙稀少的地方。一個解決方案是建造由超導線製成的長距離輸電線路。當冷卻到接近絕對零度時，這些管道可以以幾乎沒有損耗的方式將巨大的電流輸送到很遠的距離。
7 月，新澤西州的 BOC 集團及其合作伙伴開始在紐約州奧爾巴尼的電網中安裝 350 米的超導電纜。這條氮冷卻鏈路將以 34,500 伏的電壓傳輸高達 48 兆瓦的電流。“我們知道這項技術是可行的；這個專案將證明這一點，”BOC 的副總裁 Ed Garcia 說。
在 2004 年的一個研討會上，專家們勾勒出了一個“超級電網”的設計，該電網將同時傳輸電力和氫氣。氫氣被冷凝成液體或超冷氣體，將冷卻超導電線，還可以為燃料電池和內燃機提供動力。
有了橫跨大陸的超級電網，澳大利亞的太陽能陣列和西伯利亞的風力發電場可能會為美國的照明和歐洲的空調提供電力。但是建設這樣的基礎設施很可能需要幾代人的時間和數萬億美元。
7. 波浪和潮汐 -- 現實因素：5*
洶湧的海洋提供了巨大的、但幾乎未開發的能源。各公司現在正準備抓住海浪的機遇
利用海洋不間斷運動的夢想顯然已經轉機。“海洋能源比風能落後大約 20 年，”電力研究所的海洋能源負責人 Roger Bedard 承認。“但它肯定不會花 20 年時間才能趕上。”
在 20 世紀 80 年代和 90 年代，潮汐和波浪發電的倡導者只能指出兩個商業上的成功案例：法國一座 240 兆瓦（MW）的潮汐電站和新斯科舍省一座 20 兆瓦的潮汐電站。現在，中國也在岱山啟動了一座 40 千瓦（kW）的設施。六臺 36 千瓦的渦輪機即將開始在紐約市的東河旋轉。今年夏天，第一個商業化波浪發電廠將在葡萄牙上線。投資者和政府正在醞釀更大的計劃。
最宏大的計劃在英國，分析師認為，海洋能源最終可以供應該國五分之一的電力，並履行其在《京都議定書》下的義務。英國政府在 7 月份下令對塞文河口進行可行性研究，該河口的潮汐量位居世界第二，將建造一座 16 公里的大壩。這座被稱為塞文堤壩的工程，將耗資 250 億美元，在潮汐流動時產生 8.6 吉瓦的電力。支持者聲稱它將執行一個世紀或更長時間。
環保組織警告說，堤壩會對河口生態系統造成破壞。海洋潮流渦輪機的 Peter Fraenkel 認為，比大壩更好的選擇是他的公司開發的 SeaGen 渦輪機陣列。分佈在英國海岸線的這種潮汐發電場可以產生幾乎與塞文堤壩一樣多的電力，但資本投資、電力變化和環境影響更小。
今年，當該公司在斯特蘭福德湖安裝的潮汐發電機開始向北愛爾蘭的電網貢獻平均 540 千瓦的電力時，弗蘭克爾的說法將受到小規模的考驗。這臺機器的工作原理很像水下風車，兩個轉子共享一個固定在海床上的桅杆。
“潮汐發電的最大優勢是它完全可預測，”貝達德說。“但在全球範圍內，它永遠不會很大。”因為潮汐移動速度足夠快的地方太少了。
能量充沛的波浪更加反覆無常，但也更加無處不在。貝達德小組的一項分析發現，如果僅利用美國 20% 的商業上可行的近海波浪資源，並採用 50% 效率的波浪發電場，產生的能量將超過該國所有傳統水力發電的總和。
四家公司最近完成了他們的波浪轉換設計的海上試驗。其中一家公司 Ocean Power Delivery 將很快從其 120 米長的 Pelamis 機器中的三臺開始在葡萄牙海岸附近收穫 2.25 兆瓦的電力。如果一切順利，它今年將再訂購 30 臺。衝浪開始。
8. 定製微生物 -- 現實因素：4*
基因工程師認為他們可以創造合成生命形式，讓我們像種植食物一樣輕鬆地獲取能源
J. Craig Venter 說：“我們把基因組視為細胞的軟體，甚至是作業系統。”他建議現在是升級的時候了。文特是在對合唱團佈道：今年 5 月舉行的合成生物學 2.0 會議上的一大批生物學家。那裡的許多科學家都有專案對生物體進行廣泛的基因重組，使由此產生的細胞具備合成物種的資格。文特因幫助開發出用於對人類基因組進行測序的高速方法而聲名鵲起並獲得財富，他最近成立了一家公司 Synthetic Genomics，以將定製細胞商業化。“我們認為這個領域有巨大的潛力來取代石化行業，可能在十年內實現，”他說。
這種評估可能過於樂觀；還沒有人從頭開始組裝一個細胞。但文特報告說，他的團隊在建立人工染色體方面取得了快速進展，這些人造染色體僅包含在受控、營養豐富的環境中維持生命所需的最小基因組。“第一個合成原核細胞[沒有細胞核]肯定會在未來兩年內出現，”他預測道。“而合成的真核基因組[用於具有細胞核的細胞]最多將在十年內出現。”
文特設想了一種新型微生物，可以從發電廠的煙囪中捕獲二氧化碳，並將其轉化為鍋爐用的天然氣。“我們星球上已經有成千上萬，甚至數百萬種生物知道如何做到這一點，”文特說。儘管這些物種中沒有一種可能適合在發電廠中生存，但工程師可以為新的創造物借用它們的基因迴路。“我們還在構建生物系統，試圖利用光合作用直接從陽光中產生氫氣，”他補充說。
勞倫斯伯克利國家實驗室主任 Steven Chu 宣佈，他的實驗室正在準備一項重大專案的提案，以利用太陽的力量並將其轉化為運輸燃料。Chu 解釋說，藉助基因工程工具，“我們可以努力改造植物和藻類，使其能夠自我施肥並抵抗乾旱和害蟲。”這種新型作物將提供高產的纖維素，人造微生物隨後可以將其轉化為燃料。楚預計生物加工的效率將遠遠高於目前用於製造乙醇的蒸汽爆炸和水解等能源密集型工藝。
隨著油價接近每桶 80 美元，生物加工可能不必等待從頭開始構建的生命形式。馬薩諸塞州劍橋的 GreenFuel 公司已經在發電廠安裝了藻類養殖場，將它們排放的二氧化碳中的高達 40% 轉化為生物燃料的原材料。該公司聲稱，一個 1 吉瓦發電廠旁的大型藻類養殖場每年可以生產 5000 萬加侖的乙醇。“這裡有巨大的機會，”楚肯定地說。“不僅如此，它還將有助於拯救世界。”