許多人正在努力更有效地利用可再生能源，並提高能源效率。一切都很好。然而，大多數努力可能會帶來受歡迎但漸進式的改進。要徹底改變能源格局，就需要 радикальные 創新。
多年來，科學家和工程師們一直在吹捧一些奇妙的計劃：將太陽能束射到陸地接收器的衛星；懸浮在大氣中發電的風力發電機。然而，在地球上，研究人員最近在一些關鍵領域獲得大量政府或私人資金，用於各種引人注目的長期技術。我們在此介紹的專案是可能獲得回報的主要例證——當然，前提是發明者能夠克服將實用、批次生產和經濟實惠的技術推向市場的艱鉅障礙。
——編輯部
發電廠 聚變觸發裂變
雷射從乏核燃料中誘匯出電力
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幾十年來，物理學家和工程師們一直致力於駕馭核聚變，這種過程同樣在氫彈和太陽中燃燒。研究人員可以輕鬆地產生聚變反應——猛烈地將氫核撞擊在一起，使它們融合，釋放出中子和能量。困難的部分是以如此高的效率進行，使反應釋放的能量多於啟動反應所用的能量，這種條件稱為點火，最終可以發電。
因此，加利福尼亞州利弗莫爾國家點火裝置的科學家們提出了一個新的轉折：利用聚變來驅動裂變，即原子裂變，為傳統的核反應堆提供動力。主任愛德華·摩西聲稱，這一過程可能在 20 年內促成原型發電廠的誕生。
在利弗莫爾的方案中，雷射脈衝在反應室中心產生聚變爆炸，釋放出中子，中子分裂反應室壁上厚厚的鈾或其他燃料層中的原子。來自這些裂變原子的能量將使反應室的功率輸出增加四倍或更多。聚變驅動裂變用於和平目的的概念可以追溯到蘇聯氫彈之父安德烈·薩哈羅夫，他在 20 世紀 50 年代提出了這個想法。
如果大部分電力來自裂變，為什麼不堅持使用傳統的核電站，避免開發聚變觸發器的麻煩呢？裂變反應堆依賴於鏈式反應，其中來自裂變原子的中子觸發更多原子分裂。維持鏈式反應需要鈽或濃縮鈾燃料，這兩種燃料都可用於核武器。
在混合聚變-裂變電站中，來自聚變爆炸的中子產生裂變，無需維持鏈式反應。這種佈置擴大了可能的燃料範圍，包括未濃縮鈾、貧鈾（鈾濃縮的大量廢料）甚至其他核反應堆的乏燃料——否則這些廢物必須儲存數千年，或者經過複雜且危險的後處理才能在裂變電站中重複使用。
另一個好處是燃耗量。傳統的反應堆在其燃料必須更換之前，僅分裂其燃料中可裂變原子的幾個百分比。摩西說，聚變-裂變電站可以實現 90% 的燃耗，因此可能只需要典型裂變反應堆 1/20 的燃料。“焚燒”階段將在電站大約 50 年壽命的最後十年中進行，這將把大約 2,500 公斤的長壽命廢物減少到大約 100 公斤，儘管在這些年裡發電量會下降。
研究人員還在研究基於磁約束聚變的聚變-裂變方案，磁約束聚變是雷射聚變的競爭對手，它將聚變反應限制在強大的磁場中。2009 年，德克薩斯大學奧斯汀分校的科學家提出了一種帶有緊湊型磁約束聚變觸發器的混合反應堆。中國的研究人員正在評估針對發電、增殖傳統反應堆燃料和燃燒核廢料而最佳化的設計。
任何形式的聚變能都是一個 радикальные 命題。即使摩西的裝置今年證明了點火，在發電廠成為現實之前，仍然存在重大的技術障礙。微小的、經過精密設計的聚變燃料丸靶丸必須能夠廉價地批次生產。點火必須每秒發生 10 次，這需要一系列未經證實的技術（國家點火裝置最多每天只能進行幾次目標射擊）。
混合方法還需要純聚變不需要的技術——特別是裂變包層，包括能夠承受比傳統反應堆中遇到的熱量和中子衝擊大得多的裂變燃料。提案範圍從固體、多層“卵石”到溶解在熔鹽中的鈾、釷或鈽液體。
挑戰是艱鉅的，摩西已經規劃了一條積極的發展道路來實現這些目標。不過，首先，他的裝置必須證明雷射聚變實際上可以實現點火。 ——格雷厄姆·P·柯林斯
液體燃料 太陽能汽油
集中的陽光和二氧化碳推動車輛行駛
太陽在一小時內照射到地球上的能量超過了人類一年使用的能量。如果科學家能夠將其中哪怕一小部分盈餘轉化為液體燃料，我們對用於交通運輸的化石燃料的依賴以及它們引起的問題就可以結束。“如果你能夠直接、高效且廉價地利用陽光製造化學燃料，那將是遊戲規則的改變者，”加州理工學院人工光合作用聯合中心主任內森·劉易斯指出。
聖地亞國家實驗室的一項有趣嘗試是在新墨西哥州的沙漠中使用一個六米寬的鏡面拋物面天線。它將太陽光線集中在一個半米長的圓柱形機器上，該機器形狀像啤酒桶，安裝在拋物面天線的前面。鏡面將陽光透過機器壁上的一個視窗聚焦在十幾個每分鐘旋轉一次的同心環上。氧化鐵（鐵鏽）或氧化鈰的齒輪鑲在環的邊緣並旋轉到光束中，加熱到 1,500 攝氏度。這種熱量將氧氣從鐵鏽中驅趕出來。當齒輪旋轉回到較冷的暗側反應器時，它們從蒸汽或已引入腔室的二氧化碳中吸回氧氣，留下富含能量的氫氣或一氧化碳。
氫氣和一氧化碳的混合物稱為合成氣，或合成氣體——化石燃料、化學品，甚至塑膠的基本分子構件。該過程還可以吸收與燃料燃燒時排放的 CO2 一樣多的 CO2。能源高階研究計劃署署長阿倫·馬朱達爾說，這樣的太陽能燃料系統“就像一石四鳥”：清潔燃料供應、更高的能源安全性、二氧化碳減排和減少氣候變化。
包括蘇黎世瑞士聯邦理工學院和明尼蘇達大學在內的其他地方的研究人員正在開發合成氣生產機械。一些初創公司正在探索其他途徑。位於馬薩諸塞州劍橋市的 Sun Catalytix 公司將一種廉價催化劑浸入水中，並使用太陽能電池板的電力產生氫氣和氧氣。位於新澤西州蒙茅斯交界處的 Liquid Light 公司將 CO2 鼓入電化學電池中，將其構建成甲醇。劉易斯本人正在用半導體奈米線建造人工樹葉，這些奈米線吸收陽光以將水分解成氫氣和氧氣。
當然，克服實際問題是主要障礙。在聖地亞，齒輪不斷破裂，阻礙了反應。“你要在 1,500 度到 900 度之間來回迴圈；這對材料來說要求太高了，”亞利桑那州立大學 LightWorks 主任化學家加里·德克斯指出，他沒有參與這項工作。下一步是在奈米尺度上使鐵鏽結構更加堅固，或者找到更好的齒輪材料。鏡面的高成本也必須降低。聖地亞的研究人員表示，他們的合成氣發動機可以每加侖 10 美元（每升 2.65 美元）的價格生產燃料。“我們還沒有向自己證明我們做不到，”化學工程師和共同發明人詹姆斯·E·米勒說，“但我們離做到這一點還很遙遠。”
—大衛·比埃洛
電力 量子光伏
熱電子使太陽能電池效率提高一倍
當今的商用太陽能電池僅將它們接收到的 10% 到 15% 的光轉化為電流，導致電力昂貴。原因之一是單層吸光矽的理論效率極限約為 31%（最好的實驗室電池達到 26%）。對半導體晶體或量子點的新研究可能會將理論最大值提高到 60% 以上，為以有競爭力的價格發電的產品開闢道路。
在傳統電池中，入射光子從矽中擊出電子，使電子自由流入導線，建立電流。不幸的是，許多太陽光子的能量過高；當它們撞擊矽時，會釋放出“熱電子”，這些“熱電子”會迅速以熱量的形式損失能量，並在被導線捕獲之前返回其初始狀態。如果能夠在熱電子冷卻之前捕獲它們，最大效率可能會翻倍。
一種解決方案是減緩電子冷卻的速度，為捕獲它們創造更多時間。去年，德克薩斯大學奧斯汀分校的化學家朱曉陽和他的同事們轉向了由數千個原子組成的量子點。朱將硒化鉛點沉積到常見的材料二氧化鈦的導電層上。當他照射光時，熱電子花費的時間延長了 1,000 倍才失去熱量。聖母大學的普拉尚特·卡瑪特說，朱“真正表明了這個概念是可行的”，他沒有參與這項研究。
然而，阻止電子只是目標的一部分。朱現在正在尋找一種方法來幫助導體將盡可能多的熱電子轉化為電流，這樣導體本身也不會將它們作為熱量吸收。
實現可工作的太陽能電池仍然存在許多障礙。“我們需要確立所有的物理原理，”朱說——熱電子究竟是如何冷卻的，它們是如何轉移到導體中的。“一旦我們弄清楚所有這些，我們就可以說出最終要使用的材料是什麼。”他預測，這項工作“需要一段時間。但我相信我們能做到。我想在我的屋頂上看到這些太陽能電池。”商業回報可能是巨大的。
—J.R. 明克爾
廢物回收 熱機
形狀記憶合金為汽車、電器和機械產生額外的動力，高達 60% 的能量
在美國產生的能源中有高達 60% 被浪費——其中大部分以熱量的形式從數百萬輛汽車和發電廠中流失。密歇根州沃倫通用汽車公司的科學家們正試圖利用被稱為形狀記憶合金的奇異材料來捕獲這種浪費的能量，形狀記憶合金可以將熱能轉化為機械能，而機械能又可以發電。團隊負責人艾倫·布朗的目標是回收汽車排氣系統中的熱量，為空調或收音機供電，這樣發動機就不必這樣做。
布朗計劃用由鎳鈦合金製成的薄平行線束製成的帶子來收集熱量，這種合金“記住”特定的形狀。所有形狀記憶合金都在兩種狀態之間來回切換：在本例中，是在較高溫度下的剛性“原始狀態”和在較低溫度下的更柔韌狀態。在通用汽車的設計中，帶子拉伸在形成三角形角的三個滑輪上。帶子的一個角靠近熱排氣系統，另一個角則更遠，在那裡更涼爽。透過在高溫角收縮並在較冷角膨脹，帶子將自身拉動到環形迴路周圍，旋轉滑輪。滑輪可以轉動驅動發電機的軸。溫差越大，環形迴路轉動得越快，產生的功率就越大。
通用汽車的原型證明了原理，而不是實際的硬體。一小束 10 克的股線產生適度的兩瓦功率，足以為一個小夜燈供電。布朗聲稱，這項技術可以在十年內擴大規模並推向市場，並補充說，沒有任何技術問題妨礙將形狀記憶合金熱機改裝到家用電器或發電廠冷卻塔上。HRL 實驗室的合作材料科學家傑夫·麥克奈特解釋說，這些合金開闢了以前被認為不切實際的應用領域，因為它們可以在低至 10 攝氏度的溫差下工作。
通用汽車的設計很簡單，但仍然是一個長期專案。形狀記憶合金會疲勞，變得脆性。需要連續處理三個月才能嵌入原始狀態形狀記憶。金屬絲很難連線成帶子。弄清楚如何有效地使用空氣加熱和冷卻帶子也具有挑戰性。布朗並沒有確切說明他的團隊是如何解決這些問題的，只是指出他們正在改變金屬絲的規格、帶子的幾何形狀以及帶子的加熱和冷卻方式——“科學和人類所能想到的”每一個變數。
在回收熱量的競賽中，通用汽車並非孤軍奮戰。伊利諾伊大學的桑吉夫·辛哈正在開發柔性固態材料，可以將熱量轉化為電能。如果熱機可以內建到現有和未來的硬體中，那麼應用將是無窮無盡的：從數千個冷卻塔和工廠鍋爐到數百萬個家用散熱器、冰箱和煙囪，以及拖拉機、卡車、火車和飛機。全球可以產生數萬億焦耳的能量，大幅削減化石燃料消耗。
—比賈爾·P·特里維迪
車輛 衝擊波汽車發動機
燃氣渦輪汽車比活塞動力混合動力汽車行駛里程遠五倍
一個多世紀以來，活塞發動機幾乎為所有汽車和卡車提供動力。即使是今天的混合動力汽車和新型增程器（如雪佛蘭 Volt）也使用小型活塞發動機來提高功率並有效地為電池充電。但密歇根州立大學正在開發一種完全不同的設計，稱為波盤發動機或衝擊波發動機，它消除了活塞。如果該專案取得成功，未來的混合動力汽車每升汽油的行駛里程可能會增加五倍。
密歇根州立大學機械工程教授、共同發明人諾伯特·穆勒說，這種緊湊型發動機只有烹飪鍋大小，所需的裝置比活塞發動機少得多。不需要活塞、連桿和發動機缸體。穆勒說，減輕的質量和更高的燃油效率可以“使帶有再生制動的插電式混合動力汽車在相同數量的燃料下行駛里程增加五倍，從而相應地減少二氧化碳排放”。該系統還可以將製造成本降低多達 30%。
穆勒和他的團隊正在他們在東蘭辛實驗室的工作臺上測試一個原型波盤發電機。他們的目標是演示一臺可工作的 25 千瓦（33 馬力）發動機。他預計他的第一臺機器的能量轉換效率約為 30%，低於領先柴油發動機設定的 45%。但他樂觀地認為，改進可能會將效率提高到 65% 的水平。
在傳統的火花點火發動機中，火花塞點燃腔室內的汽油和空氣混合物，驅動活塞轉動曲軸，曲軸最終轉動汽車的車輪。在柴油發動機中，活塞強力壓縮燃料和空氣，將其點燃。由此產生的燃燒氣體膨脹，向後驅動活塞，轉動曲軸。
在波盤設計中，發電過程發生在旋轉渦輪機內部。想象一下桌面風扇（“轉子”）水平放置在桌面上，帶有許多彎曲的葉片和一個圍繞外邊緣的外殼。高溫加壓的空氣和燃料從中心軸進入葉片之間的間隙。當高壓混合物點燃時，燃燒氣體在受限空間內膨脹，形成衝擊波，衝擊波壓縮剩餘空間中的空氣。衝擊波從外殼的後續反射進一步壓縮和加熱空氣，空氣在合適的時刻透過外殼釋放出來。加壓氣體對彎曲葉片的作用力，加上逸出的氣體射流的作用力，驅動轉子旋轉，從而轉動曲軸。
根據波盤的另一位共同發明人、波蘭華沙理工大學副教授亞努什·皮耶赫納的說法，工程師早在 1906 年就開始研究波轉子機器。它們已經用於一些跑車的增壓器中。然而，困難的部分在於知道如何管理不穩定的氣體流動。穆勒說，預測這些間歇性流動的高度複雜、非線性行為需要詳細的數值計算，但直到最近，這些計算都過於耗時或不精確而無法進行。在密歇根州立大學和其他地方進行的高保真模擬現在正在指導葉片幾何形狀的精確塑造和燃燒的瞬間計時，以提取最佳效能。
計算機模型是否能夠帶來實用的道路機器仍然不清楚。“波轉子技術可能相當難以實施，”在克利夫蘭 NASA 格倫研究中心設計流動模型的丹尼爾·E·帕克森說。密歇根州立大學的專案“絕對突破了極限”，他帶著務實的懷疑和欽佩的語氣說道。“無論最終結果如何，我相信他們都會學到很多東西。”
穆勒似乎毫不懷疑，如果他的團隊能夠完美地製造出波盤發電機，它就能在更環保的混合動力汽車中找到用武之地，從摩托車到家用轎車和送貨卡車。“這只是時間、努力和想象力的問題——當然還有金錢。”
—史蒂文·阿什利
電器 磁性空調
不尋常的合金使房間涼爽，食物冷藏
空調、冰箱和冰櫃有助於為我們的生活降溫，但它們會消耗大量能源，消耗美國房屋用電量的三分之一。一種依賴磁鐵的 радикальные 不同技術可以顯著降低負荷。
大多數商用冷卻器透過重複迴圈壓縮和解壓制冷劑氣體或液體。當製冷劑迴圈時，它會將熱量從房間或電器的內部抽出。然而，壓縮機是耗能大戶。而且，最常用的氣體在釋放時，其溫室效應至少是二氧化碳的 1,000 倍（按分子計算）。
位於密爾沃基的美國宇航公司 (Astronautics Corporation of America) 的研究人員正在開發一種基於磁鐵的冷卻器，它可以消除壓縮機。所有磁性材料在暴露於磁場時都會在一定程度上升溫，而在去除磁場時會冷卻，這是一種稱為磁熱效應的技巧。原子以振動的形式儲存熱量；當磁場對齊金屬中的電子並阻止它們自由移動時，金屬原子會振動得更劇烈，從而升溫。去除磁場，溫度就會下降。這種現象是在 1881 年發現的，但由於理論上需要低溫冷卻的超導磁體才能最大限度地發揮這種效應，因此它一直被商業用途所忽視。然而，1997 年，美國能源部艾姆斯實驗室的材料科學家偶然發現了一種由釓、矽和鍺組成的合金，該合金在室溫下表現出巨大的磁熱效應。此後，宇航公司一直專注於其他此類合金。
宇航公司目前正在設計一種空調，旨在為約 1,000 平方英尺的公寓或房屋降溫。一個小圓盤包含由其中一種合金製成的多孔楔形物。圓盤穿過位於同一平面上的靜止環形永磁體中的間隙。間隙將磁場集中在那裡。當圓盤旋轉時，每個磁熱楔形物都會穿過間隙並升溫，然後在繼續前進後冷卻。在系統內部迴圈的流體被旋轉的楔形物加熱和冷卻，冷卻後的流體從房間中吸收熱量。磁鐵經過精心設計，可防止磁場逸出機器外部，因此不會影響附近的電子裝置或裝有起搏器的人。
在傳統冷卻器中，壓縮機完成大部分工作。在磁性冷卻器中，旋轉輪子的電機完成大部分工作，而電機通常比壓縮機效率更高。宇航公司的目標是在 2013 年之前推出一款原型機，在提供相同冷卻量的情況下，將用電量減少三分之一。一個很大的好處：該裝置僅使用水來傳遞熱量，“而且沒有什麼比這更環保的了，”宇航公司技術中心經理史蒂文·雅各布斯說。
該設計可以適用於冰箱和冰櫃，儘管僅僅為了完成成功的原型，就必須掌握許多複雜性。控制水流過多孔楔形物的方式很棘手；圓盤每分鐘旋轉 360 到 600 次。此外，磁鐵由昂貴的釹鐵硼合金製成，因此在仍能提供強磁場的同時儘可能縮小其尺寸將是商業上的必然選擇。“這是一項高風險技術，但它具有巨大的潛力，而且這種效能水平是一個合理的目標，”不列顛哥倫比亞省維多利亞大學的機械工程師安德魯·羅說。
研究人員正在試驗其他不尋常的冷卻技術。位於德克薩斯州奧斯汀市的 Sheetak 公司正在開發一種完全無需製冷劑的冷卻器，而是依賴所謂的溫差電材料，這些材料在通電時一側會變冷，另一側會變熱。無論如何，減少燃料消耗和減少全球變暖排放可能會使世界變得更涼爽。
—查爾斯·Q·崔
排放 更清潔的煤炭
鹽從煙囪中吸走碳
煤炭是美國最便宜、最豐富的能源資源——並且作為碳含量最高的來源，是氣候變化的主要驅動因素。工程師們已經設計出各種方法，在二氧化碳進入大氣之前，將其從燃煤電廠的廢氣中去除，但這些過程會消耗高達燃煤發電量 30% 的能量。這種負擔可能會使發電成本增加一倍，這使得清潔燃煤難以推銷。
然而，這個想法非常吸引人，以至於能源部能源高階研究計劃署以及其他機構一直在為可能降低這種不可接受的百分比的技術研究提供種子資金。
聖母大學能源中心的一項特別誘人的設計使用了一種名為離子液體的創新材料——本質上是一種鹽。它的第一個優點是，與其他化學性質相似的碳吸收劑相比，它吸收的二氧化碳是其他碳吸收劑的兩倍。另一個優點是，在這樣做的過程中，鹽會經歷從固態到液態的相變。這種變化會釋放熱量，這些熱量被回收以幫助將碳從液體中排出，以便可以進行處理。
“我們的模型表明，我們應該能夠將寄生能量降低到 22% 或 23%，”化學工程師兼能源中心主任瓊·F·布倫內克說。“最終，我們希望將其降至 15%。”她的團隊正在建造一個實驗室規模的裝置來演示這項技術。
如果這種方法在目前看來是理論性的，那確實是。布倫內克承認，“這是一個 радикальные 的想法，因為這些材料是全新的，”它們在兩年前才剛剛被發現。布倫內克的團隊才剛剛開始探索它們，並且在任何階段都可能出現意想不到的問題。即使該過程在實驗室中有效，也可能證明無法擴充套件到發電廠級別。
此外，如果脫碳過程確實有效，那麼碳就必須儲存在某個地方。科學家們倡導的主要想法是將碳注入地下多孔岩層中——這種過程稱為封存，已經過現場測試，但尚未大規模證明。一種更具實驗性的想法是將 CO2 與矽酸鹽混合，重現將 CO2 結合到碳酸鹽巖中的自然過程，使其惰性化。
此外，還需要面對與煤礦開採以及處理燃燒後留下的有毒灰燼相關的健康和環境問題。當環保主義者聽到“清潔煤炭”這個詞時，許多問題讓他們感到憤怒。儘管如此，煤炭是如此豐富和廉價，以至於如果一個高風險的想法奏效，它可能會在應對氣候變化的鬥爭中發揮重要作用。
—邁克爾·萊蒙尼克