內森·S·劉易斯像一位疾言厲色的牧師一樣，一直在就能源危機發表演講，內容既令人恐懼又令人振奮。這位來自加州理工學院的化學家表示，為了避免可能造成嚴重破壞的全球變暖，到2050年，人類文明必須能夠產生超過10萬億瓦特的清潔、無碳能源。這個水平是美國平均能源需求量3.2萬億瓦特的三倍。劉易斯指出，即使在地球上每一處湖泊、溪流和河流上都築起大壩，也只能提供5萬億瓦特的水力發電。核能可以實現這一壯舉，但世界需要在未來50年裡每兩天建造一座新的反應堆。
在劉易斯的聽眾變得過於沮喪之前，他告訴他們，有一個救贖之源：太陽每小時傾瀉到地球上的能量比人類一年使用的能量還要多。但劉易斯說，為了得救，人類需要太陽能燃料技術的根本性突破：人工樹葉，它將像植物一樣，捕捉太陽光線並在現場生產化學燃料。我們可以像燃燒石油或天然氣一樣燃燒這種燃料，為汽車提供動力、產生熱量或發電，並且我們可以儲存燃料以供太陽下山時使用。
劉易斯的實驗室是正在製造原型樹葉的幾個實驗室之一，這些樹葉的尺寸與計算機晶片相差無幾，旨在從水中生產氫燃料，而不是天然樹葉產生的葡萄糖燃料。與化石燃料不同，氫燃燒時是清潔的。其他研究人員正在研究用於捕獲太陽能的競爭性想法，例如經過基因改造以泵出生物燃料的藻類，或經過工程改造以分泌石油的新型生物有機體。所有這些方法都旨在將陽光轉化為可以儲存、運輸和輕鬆消耗的化學能。然而，劉易斯認為，人造樹葉方案最有可能擴大規模，達到為人類文明提供動力所需的工業水平。
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光子燃料
儘管一些實驗室原型已經生產出少量直接太陽能燃料——或有時稱為電燃料的化學物質——但這項技術必須得到改進，以便可以大規模、非常廉價地製造燃料。劉易斯估計，為了為美國提供能源，美國需要製造薄而柔韌的太陽能燃料薄膜，而不是像晶片一樣的獨立裝置，這些薄膜像新聞紙一樣從高速生產線下線。這些薄膜必須像鋪滿牆壁的地毯一樣便宜，並最終覆蓋南卡羅來納州那麼大的面積。
直接太陽能燃料技術絕非天方夜譚，自從吉米·卡特總統在 1970 年代石油危機期間推動替代能源以來，該技術一直在斷斷續續地發展。現在，隨著新的能源和氣候危機迫在眉睫，太陽能燃料突然受到關注。瑞典烏普薩拉大學研究員斯滕比約恩·斯泰林正在開發模仿光合作用的人工系統，他說，致力於這一挑戰的聯盟數量已從 2001 年的 2 個激增到今天的 29 個。“數量太多了，我們可能都數不清了，”他補充道。
7 月，能源部向一個由劉易斯領導的、由多個實驗室的科學家組成的團隊授予了五年內 1.22 億美元的資金，用於開發太陽能燃料技術，這是該機構的三個新能源研究優先事項之一。能源部首席科學顧問史蒂文·E·庫寧表示，太陽能燃料“將解決能源安全和碳排放這兩大難題”。庫寧認為，太陽能轉化為燃料的計劃面臨“巨大的”實際障礙，但他表示，這項技術值得投資，因為“回報足夠巨大”。
在光合作用中，綠色樹葉利用陽光中的能量重新排列水和二氧化碳的化學鍵，以糖的形式生產和儲存燃料。“我們想製造出儘可能接近樹葉的東西，”劉易斯說，這意味著裝置的工作原理要儘可能簡單，儘管產生的化學輸出不同。劉易斯正在設計的人工樹葉需要兩個主要元素：一個將太陽能（光子）轉化為電能（電子）的收集器，以及一個利用電子能量將水分解成氧氣和氫氣的電解器。新增催化劑——一種化學物質或金屬——以幫助實現分解。現有的光伏電池已經可以利用陽光發電，電解器也用於各種商業過程，因此訣竅是將兩者結合成廉價、高效的太陽能薄膜。
為了演示這種結合的工作原理，已經開發出了笨重的原型。例如，日本汽車製造商本田公司的工程師製造了一個比冰箱還高的箱子，表面覆蓋著光伏電池。箱子內部的電解器利用太陽能電力分解水分子。箱子將產生的氧氣釋放到周圍空氣中，並壓縮和儲存剩餘的氫氣，本田公司希望利用這些氫氣為燃料電池汽車充電。
原則上，該方案可以解決全球變暖問題：只需要陽光和水就可以產生能量，副產品是氧氣，而稍後在燃料電池中燃燒氫氣產生的廢氣是水。問題在於，商用太陽能電池包含昂貴的矽晶體。而電解器中填充了貴金屬鉑，迄今為止，鉑是催化水分解反應的最佳材料，但每盎司的價格高達 1,500 美元。
這意味著本田公司的太陽能制氫站永遠無法為世界提供能源。劉易斯計算，為了滿足全球能源需求，未來的太陽能燃料裝置每平方英尺陽光收集表面的成本必須低於 1 美元，並且能夠將 10% 的光能轉化為化學燃料。我們需要從廉價材料製成的薄膜或地毯等根本性的、可大規模擴充套件的技術。正如劉易斯在加州理工學院的同事小哈里·A·阿特沃特所說，“我們需要考慮的是薯片，而不是矽晶片。”
尋找催化劑
儘管進行了數十年的斷斷續續的工作，但對這種技術的探索仍處於早期階段。一項開創性的實驗表明了原因。1998 年，科羅拉多州戈爾登市國家可再生能源實驗室的約翰·特納製造了一個火柴盒大小的裝置，當將其放入水中並暴露在陽光下時，它以驚人的速度釋放出氫氣和氧氣，效率是樹葉的 12 倍。但特納的發明依賴於稀有且昂貴的材料，包括鉑作為催化劑。據估計，特納的太陽能燃料電池每平方釐米的成本為 10,000 美元。這可能適用於軍事或衛星應用，但不適用於為人類文明提供動力。
貴金屬通常是最好的催化劑，但供應短缺。“這是這場遊戲中的一大難題，”斯泰林說。“如果我們想拯救地球，我們就必須擺脫所有這些貴金屬，轉而使用鐵、鈷或錳等廉價礦物。”另一個困難是，水分解反應具有很強的腐蝕性。植物透過不斷重建其光合作用機制來應對這種情況。特納的太陽能燃料電池僅持續了 20 個小時。
如今，特納的研究致力於設計一代又一代的催化劑，每一代都比上一代更便宜，以及一代又一代的太陽能收集器，每一代都比上一代壽命更長。有時，這種尋找過程令人痛苦地帶有碰運氣的性質。“我正在森林中漫步，尋找一種能夠實現我想要的材料，”特納說。“進展甚微。”
其他團隊也在追逐催化劑，包括由麻省理工學院的丹尼爾·G·諾塞拉領導的團隊。2008 年，諾塞拉和一位同事偶然發現了一種廉價的磷酸鹽和鈷的組合，可以催化氧氣的產生——這是水分解反應的必要組成部分之一。
儘管原型裝置只是難題的一部分——研究人員沒有找到更好的催化劑來製造氫氣（真正的燃料）——但麻省理工學院仍將其吹捧為“邁向‘人工光合作用’的重大飛躍”。諾塞拉開始預測，美國人很快將使用價格實惠的後院裝置為他們的汽車烹製氫氣。這些大膽的說法並沒有得到一些太陽能燃料專家的認可，他們堅持認為，研究還需要幾十年才能完成。其他人則更加樂觀：能源部和風險投資公司北極星風險投資公司正在支援諾塞拉在劍橋市創立的公司 Sun Catalytix 進行的持續研究。
與此同時，在加州理工學院，劉易斯一直在研究一種比傳統的晶體矽太陽能電池便宜得多的收集和轉換太陽光子的方法——任何太陽能燃料裝置的第一步。他設計並製造了一種由嵌入透明塑膠薄膜中的矽奈米線製成的收集器，當放大尺寸後，可以像毯子一樣“捲起和展開”，他說。他的奈米線可以將光能轉化為電能，效率為 7%。與效率高達 20% 的商用太陽能電池相比，這相形見絀。但如果這種材料能夠以足夠低的成本製造出來——那些像新聞紙一樣從印刷機上下線的薄片——較低的效率是可以接受的。
研究人員還在爭論氫氣是否是太陽能燃料的最佳選擇。與生產液體生物燃料的生物有機體合作的團隊表示，這些燃料比氫氣更容易儲存和運輸。但氫氣也很靈活：它可以用於燃料電池汽車，在發電廠中燃燒以發電，甚至可以作為生產合成柴油的原料。然而，“關鍵是製造一種能量密集的化學燃料”，並儘可能減少碳排放，劉易斯說。“我們不要糾結於哪一種。”
真實的樹葉證明，僅使用常見元素就可以將陽光轉化為燃料。人類能否模仿這一過程來拯救地球免受全球變暖的影響？前景尚不明朗。“我們無法使用現成的元件來解決這個問題，這正是現在從事這個領域令人興奮的原因，”劉易斯說。但他擔心，社會——包括政策制定者、政府資助機構甚至科學家——仍然沒有掌握能源問題的嚴重程度，也沒有理解為什麼需要革命性的解決方案。這就是為什麼他花費如此多的時間在巡迴演講中，宣傳太陽能救贖：“我們還沒有像對待一個我們輸不起的問題那樣對待這個問題。”