七年來，美國政府一直透過能源高階研究計劃署 (ARPA-E) 尋找能源奇蹟。然而，在同一時間跨度內，最大的進步是廣為人知的各種可再生能源技術的快速部署，以及成本的迅速下降。
但是比爾及梅琳達·蓋茨基金會聯合創始人、微軟前創始人比爾·蓋茨表示，這還不足以真正徹底改變能源供應並顯著減少碳排放。
因此，這位世界首富正在用實際行動證明，他正從其他億萬富翁那裡籌集資金，作為2015年成立的突破能源聯盟的一部分。他們的目的是將資金投入到一些超前的能源理念中，例如將空氣和陽光轉化為高能量密度燃料、使用風箏從高空風中獲取能量，或者設計一種不會熔燬的核反應堆。
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他們的資金並非完全出於利他主義。畢竟，如果這筆錢能夠足夠耐心，那麼更換和擴充套件世界能源基礎設施可能意味著萬億美元的回報。“突破能源聯盟”與一項名為“創新使命”的國際努力相結合，旨在成為那種耐心資本，至少價值200億美元。
《大眾科學》在紐約市採訪了蓋茨，討論他對未來能源的願景。
[以下是採訪的編輯稿。]
您所說的“能源奇蹟”是什麼意思？
人們對這個詞的定義可能比我更強烈。我的意思是，我認為晶片上的計算機是一個奇蹟。網際網路是一個奇蹟。手機是一個奇蹟。重大的科學進步——出乎意料的、影響廣泛的——正在到來，而且速度比以往任何時候都更快。如果我們能獲得比碳氫化合物明顯更便宜、完全清潔並提供相同可靠性的[能源]，我就會認為那是一個奇蹟。
我預測在未來15年內，我們很有可能實現這一目標。當你有大約十幾個[技術]路徑時——至少在我看來，所有這些路徑都獨立地有超過20%的成功機會——如果你加大研發投入，如果你在需求方面做一些事情，幷包括[政府]所做的偉大事情，比如生產稅收抵免、投資稅收抵免、可再生能源組合標準，僅在美國就有數百億美元的投入，那麼你就會大大提高獲得非常積極驚喜的機率。
我們已經聽說過您在核裂變方面的努力，但您也談到了太陽能燃料，以及我們在《大眾科學》中稱之為逆向燃燒——將二氧化碳2變回燃料，就像植物所做的那樣。為什麼這個方案如此突出？它的能量效率似乎不是很高。
大自然表明這是可以做到的。我特別喜歡這個方案的原因——一部分是因為我欣賞加州理工學院研究這個領域的內特·劉易斯教授——他向我展示，他們已經接近100倍的因子，這是一個非常漫長的距離，但他們可以製造出極少量的[能量]。這並不能保證他們能成功，但如果你想要一個應該獲得比今天多兩倍或三倍研發投入的例子，我會說就是它。不僅僅是一個實驗室，而是幾個實驗室採取可能略有不同且具有競爭性的方法。
它的優點在於液態碳氫化合物，比如汽油，真的是一種神奇的能量載體。你把它放在一個鋼罐裡。它可以隨意存放很長時間。它的[能量]密度仍然比我們能製造的最好的電池高一個數量級。這太不可思議了。
天然氣不像液態物質那樣容易儲存，但我們可以很好地儲存它，無論是液態還是氣態。天然氣[發電廠用於電力需求高峰期]，如果沒有碳[排放]限制，它們實際上是非常神奇的。
這些東西真的非常非常便宜。只有當壓縮空氣或液流電池非常非常成功時，它們才能達到那個數量級，那個超級、超級高能量的水平。大多數電池技術在電網中發揮作用方面存在困難，這與在消費者運輸中的作用不同，在消費者運輸中，再提高兩到三倍的效能可能就能使你進入主流產品行列。
能源奇蹟難道不是已經在水力壓裂革命中發生了嗎？如果我們只是將二氧化碳2捕獲並儲存——CCS——在地下，或任何大氣層以外的地方，那我們就完成任務了嗎？
嗯，碳捕獲和儲存很難做到。關於碳捕獲和儲存，你永遠不能說它會使能源比今天更便宜。記住，我最初進入能源問題領域，主要不是氣候問題，儘管我認為氣候問題非常重要，但我首先想到的是讓能源更便宜。因為當我說我想要更多的非洲肥料，我想要更多的夜間照明，我想要疫苗在非洲保持低溫——這一切都與能源價格有關。
人們說：“哦，缺水了。”另一種說法是能源太貴了，因為在任何地方將我們稱之為海洋的東西轉化為清潔水，都只是支付海水淡化和抽水的費用。所以在某種意義上，並不存在缺水問題。只是在一定的能源價格下，水價意味著在中東、中國北方發展農業是不經濟的。
所以，是的，水力壓裂是一項了不起的技術。它是政府研發、創業精神以及數字革命的某種結合——當然，數字革命在所有這些方面都發揮著很好的作用。那種獲取地震資料或磁力計資料，所有這些不同資料的能力，並建立對各種地質層的理解，從而說：“好吧，我認為這個礦藏可能延伸到那裡”，並控制所有事情都非常精確。資訊科技部分永遠不應被低估。人們有點認為這是理所當然的。但石油工業過去沒有大資料的魔力，現在他們有了，而且讓你輸入所有這些東西的感測器也變得非常好了。
對於碳捕獲和儲存，我絕對認為我們應該追求它。為了保證它留在地下——可能只有政府實體才能承擔起這種跨世紀的責任，即他們將長期存在並確保其質量——因此你必須有正確的法規。你必須找到合適的地質結構，然後你必須瞭解碳捕獲和儲存的資本和能源成本是多少。應該有人做過一個大型碳捕獲和儲存專案，無論是針對煤炭的高回收率，還是針對天然氣的高回收率。
由於碳捕獲和儲存很昂貴，我們能期望所有國家都嘗試使用它嗎？
目前尚不清楚你將如何對待印度。印度在未來40年內將成為一個足夠大的能源消耗國，你不能給他們開綠燈。撒哈拉以南非洲地區，即使在最壞的情況下，未來40年也只會佔全球溫室氣體排放量的4%，你可以給他們開綠燈，說：“嘿，你們可以用任何方式獲取能源，無論是天然氣、煤炭、汽油，隨便你們用什麼……。嘿，你們的佔比很小，而且人均排放量基本上為零，”——暫且不考慮土地利用和牲畜，這是一個複雜的領域。即使那樣，如果他們全力推進當前的煤炭計劃，也要到本世紀末才能達到我們的溫室氣體排放水平。
然後，也許可以從富裕國家排放到空氣中的二氧化碳中捕獲一些二氧化碳，但我們不應該認為這種做法會變得經濟。有些人，包括我資助的一些人，正在研究這個問題。但每噸回收的成本在100美元以上，你需要降到可能在20到30美元的範圍內，才能開始說：“好吧，讓我們把它乘以360億[公噸的二氧化碳年排放量]，然後開始考慮我們是否應該這樣做。”
對我來說，印度具有某種示範意義，因為他們在女性不呼吸菸霧和人們能夠獲得肥料方面有這種迫切的需求。給他們我們認為理所當然的東西的必要性在於，他們可能會過上能源密集度高出五倍的生活，但這仍然會使他們低於美國的三分之一，甚至略低於歐洲的水平。他們應該使用更多的能源。
現在你可以加個腳註說，“好吧，貧窮國家仍然被允許排放。”然而，在大多數情況下，當我們談論能源時，我們指的是：家庭、工廠、辦公室、交通運輸。
汽車、煤炭和牛。
是的，還有工廠。我不知道你是否看過這本書，《睜大雙眼看可持續材料》？
它只是介紹了鋼鐵、木材、塑膠、紙張、鋁，以及我們未來可能需要多少，以及哪些工藝改進可以降低能源強度。他們最終不得不說，“好吧，你必須開始重複使用東西。”這是一本很棒的書，因為它告訴你什麼時候冰箱“過時”了；實際上是塑膠部件變得髒亂醜陋，需要更換。金屬部件沒有任何疲勞。
基本上你是在說它可以重複使用。
這本書提出的關鍵點是，從能源角度來看，重複使用比回收利用更有益，因為在回收利用中，就金屬而言，你要重新熔化它，所以你實際上使用了幾乎同樣多的能源——比如鋁，只有一半——但也幾乎一樣多的能源。在數字世界中，能夠標記一切——誰製造的，它有什麼合金，什麼時候製造的，甚至有一天在其中安裝感測器，這將瞭解疲勞程度。這很重要。“睜大雙眼”意味著你不能僅僅採用金屬製造工藝並對其進行最佳化。你必須從社會材料的角度來看待整個設計並重復使用它，才能實現這些大幅度的減少。
除了逆向燃燒之外，還有什麼讓你對更高效、碳強度更低的能源生產抱有希望？還有哪些其他途徑？
嗯，我在一家名為泰拉能源的公司投入了大量資金，但不是按百分比計算，該公司正在開發第四代核反應堆技術。它可能專門成為一種解決方案；這是一家非常偉大的公司，因為他們使用了計算機模擬。我們開發了一款軟體，以今天的超級計算機來看，這應該不足為奇，我們坐在那裡模擬[反應堆]材料的疲勞。我們可以向它投擲海嘯。我們可以向它投擲里氏10級地震，火山。我們在這家公司嘗試過的核電設計比人類歷史上所有核電設計的總和還要多。
這款軟體非常出色，我們做了所有這些測試以確保它是正確的。我們有來自美國最後一座快堆的材料，它們受到了一些中子轟擊，但隨後我們將這些材料放入另一個反應堆中，我們進行了額外的輻射，然後我們觀察這些東西，看看晶體結構發生了什麼變化。我們認為我們真的瞭解如何製造不會[退化]的鋼。
對核能的批評一直是海曼·里科弗海軍上將的評論，即最好的反應堆總是紙上談兵的反應堆，我們可能會更新這句話，說更好的反應堆是計算機反應堆。當你將它們投入實際工作經驗時，一切都會改變。你預計你將能夠克服這些挑戰——並且迅速克服嗎？這似乎太慢了。
我們不想只指望泰拉能源。我們需要12條路徑，每條路徑五家公司。我們需要至少60家泰拉能源這樣的公司。我會支援泰拉能源，因為他們的任務是基於物理學的固有安全性——無需人為干預，無需按鈕，無需培訓；卓越的經濟性；減少廢物超過10倍；強大的防擴散性——而且你不會耗盡鈾。在紙面上，他們已經完成了他們的任務。
這個想法是，透過與中國的合作或其他國家，是否可以在一切順利的情況下在2024年前建成試驗工廠？然後在2030年前獲得六年的運營經驗，屆時你可以對世界說：“嘿，想建多少就建多少。所有新的核電專案都應該是這種型別的，核電專案在新或替代能源中所佔的比例應該非常高。”這是一種可能性，但我們必須建成試驗工廠。我們必須獲得批准。它必須執行得非常好。時間框架不能拖延太久。這是一個認真的參與者，而且從我可能帶有偏見的角度來看，在核裂變領域，我沒有看到很多其他參與者，你可以看著他們說：“好吧，如果你從紙上談兵變成現實，那麼這對廉價能源和全球變暖這個令人難以置信的問題來說，是一個有意義的貢獻。”
我可以看到這在印度行得通，但似乎在許多非洲國家行不通，因為他們沒有與泰拉能源反應堆配套的電網？
一直以來都有一種叫做艦載核能的東西。[基本上，就是一艘船上的核電站。] 現在我的信譽可能會下降，但海洋對於[應對核能的挑戰，如安全或冷卻]來說是非常神奇的。
但是像查德這樣的內陸國家怎麼辦呢？
你說得對。我們必須把那玩意兒空運到查德湖；內陸國家總是很棘手。
但這不僅僅是內陸國家的問題，還有貧窮國家，甚至富裕國家。
我們現在正在進行的一個有趣的模擬是，你能在不使你的能源成本過高的情況下建立高壓直流電網嗎？如果你假設你有那個神奇的電網，並且如果你使你的能源來源多樣化——比如加州的風能、華盛頓的風能，各種各樣的東西都會在那個模型中勝出——你可以獲得高達80%[來自可再生資源的電力]，我一直對此持懷疑態度，而且直覺上對我來說似乎不太正確，但模型非常清楚地表明瞭這一點。那麼你就有了這20%的未解決問題——假設風能和太陽能的價格大幅下降，如果你能延長目前太陽能的學習曲線，那就會變得相當好。
有一件很酷的事情是，大約25%的時間裡，你擁有的能量超過了你的需求。你需要一種新型的客戶，叫做“我可以使用間歇效能源”的客戶。你需要一個這樣的客戶群體，他們的資本成本非常低，而能源成本在他們的等式中非常非常高，這樣他們就可以勝過那些獲得24小時能源的工廠。
也許有人會創造出一些備用熱解決方案或其他東西，但這會很有趣，因為你將有兩種價格。你將有24小時能源的價格，然後你將有這種顯著降低的專門價格，透過神奇的電網，你可以將其輸送到幾乎任何地理區域。肥料、鋼鐵、鋁、制氫，任何你喜歡的東西，製造碳氫化合物、電燃料，你把價格降得足夠低——誰知道會有什麼樣的突破。然後你可以做電燃料，[使用微生物或其他方法將電力轉化為液體燃料]。
然後我們將這些出口到非洲，以解決他們的問題。
正是如此。你獲得的能源可替代性越高，這些問題就越容易解決。在飛機飛行方面，液態碳氫化合物很難被超越。但這隻佔所有能源使用量的一小部分。它足夠小，以至於一些生物燃料或電燃料型別的方法，或者一些昂貴的每噸自由空氣捕獲技術可以抵消這一部分。
土地利用和牲畜問題很棘手，而且在這方面的投入比你可能希望的要少。
聽起來你是在說我們需要的能源奇蹟是在部署方面。我們有很多選擇。泰拉能源可能是一個選擇。美國各地正在安裝太陽能電池板。我們需要更多的電池。部署是我們正在尋找的奇蹟嗎？
不，不。只需計算一下我們在清潔能源的需求側投入了多少——看看德國、日本、美國，並核算可再生能源組合標準和類似的東西。這很棘手。然後看看我們在供應側增量投入了多少。當德國購買了一些位於世界上最奇怪的地方之一的太陽能時，他們是否增加了研發預算？他們最終得到了什麼？在我看來，資金方面一直存在向需求側傾斜的不平衡現象。我喜歡所有這些，當然你需要兩者都做。
部署方面存在挑戰，但高空風能不是部署方面的挑戰。如果存在某種聚變路徑，如果存在某種太陽能燃料路徑……。內特·劉易斯的問題不是部署問題。他的問題是基礎研究、材料理解。
暫且不談能源——我們正處於理性地理解合金、理性地理解催化劑的邊緣。當你談論能源研發預算時，不僅僅是，“好吧，這隻對能源型別的東西有用。”這真的是基礎材料科學。我們為什麼要不斷地修理道路和橋樑？拜託，讓我們創造一些東西來消除或至少減少這種持續的成本。