人工智能、核聚变、碳捕捉……最有可能帮助拯救地球的10项技术

王进        
从人工智能到核聚变,从碳捕捉到智能电网,从人造肉到石墨烯……这些新的技术能否帮助我们在正常获取资源、能源的同时,减少对环境的伤害,并推动一个可持续发展的未来?

亚马逊森林大火、加速消逝的北极冰面、有记录以来最热的7月、越来越多的极端天气事件……各种因素正在让地球、让我们的生存环境经受日趋严重的考验。

大问题往往意味着大机会。在人类对环境制造麻烦的过程中,势必又不断催生出各种新技术,用于修复曾对环境造成的伤害。

从人工智能到核聚变,从碳捕捉到智能电网,从人造肉到石墨烯……这些新的技术能否帮助我们在正常获取资源、能源的同时,减少对环境的伤害,并推动一个可持续发展的未来?

1.人工智能

就像人工智能可以帮助我们检测、诊断、治疗人类疾病一样,人工智能也能够帮助我们监测、预测、识别环境风险,并推进环境保护。

人工智能、核聚变、碳捕捉……最有可能帮助拯救地球的10项技术

目前,人工智能已经在环保领域得到广泛应用,例如:

在一项为期三年的印度尼西亚珊瑚礁研究项目中,摄影师拍摄了近60000张水下图片。要识别和分析一张照片,一个珊瑚礁科学家要花10到15分钟,而通过人工智能的快速分析,现在只需要几秒钟。

微软目前正在推进人工智能地球计划(AI for Earth)项目,该项目已经向那些将人工智能技术应用于环境保护的团队提供了200多项研究资助,这些研究涉及生物多样性、气候、水和农业四个领域。

人工智能和机器学习算法还被用于冰面分析,以测量随着时间的推移而发生的变化;用于帮助研究人员以精确的布局种植新的森林,并最大限度地吸收碳排放;用于建设预警系统,以阻止破坏性的藻华的蔓延。

人工智能正在对农业实践产生影响,并将很快改变工业化国家的农业生产方式,减少我们对农药的依赖,并大幅降低水的消耗;人工智能将使自动驾驶汽车更有效地导航,减少空气污染;材料科学家正在部署人工智能技术,开发可生物降解的塑料替代品,并制定清洁海洋的战略。

2.核聚变

我们的太阳是由氢原子核聚变产生氦来驱动的。几十年来,科学家们一直致力于利用同样的方法来创造可持续的陆地能源。从生态学的角度来看,这项努力非常具有说服力,因为它代表了一种零碳排放的能源形式。与核裂变不同,核聚变不会产生长时间的放射性核废料。

问题在于热量。当两个粒子融合时,要产生净正能量,反应必须在数百万摄氏度下进行,这意味着你用来融合的任何容器都会熔化。答案是在漂浮的等离子体中暂停反应,这样极端的热量就不会接触到腔室,研究人员认为这一过程可以通过使用高功率磁铁来实现。

大量报道认为,人类要用上核聚变能源,还需要30年时间,但麻省理工学院的一个研究小组表示,通过使用新型超导材料生产聚变反应堆中的超强磁铁,可以在短短15年内将核聚变动力送入电网。该项目由麻省理工学院和一家私人企业CFS(Commonwealth Fusion Systems)合作开发,获得了意大利能源巨头埃尼(Eni)的5000万美元投资。

中国在核聚变研究领域也已经处于世界前沿:

2018年,我国大科学装置“人造太阳”实现等离子体中心电子温度首次达到1亿度,获得的多项实验参数接近未来聚变堆稳态运行模式所需要的物理条件,朝着未来聚变堆实验运行迈出了关键一步。

人工智能、核聚变、碳捕捉……最有可能帮助拯救地球的10项技术

2019年6月,我国新一代可控核聚变研究装置“中国环流器二号M”的全面工程安装拉开序幕。这一装置采用了更先进的结构与控制方式,等离子体温度将有望超过2亿摄氏度。

此外,据最新消息,中科院核能安全技术研究所凤麟团队研发的具有完全自主知识产权的中子输运设计与安全评价软件系统SuperMC“超级蒙卡”通过欧洲核聚变示范堆的适用性测评。该软件被推荐作为欧洲聚变联盟(EUROfusion)核聚变示范堆的核设计软件。

3.碳捕捉

空气中太多的二氧化碳太多正在让地球变暖。如果我们能捕捉并隔离碳排放,对地球的生态环境保护将带来怎样的作用?

碳捕捉与储存(Carbon Capture and Storage,CCS)作为一种新兴技术,在未来几十年里将对环境保护发挥重要作用。根据CCS协会的界定,捕捉技术可以通过以下三种方法之一来分离发电和工业过程中产生的气体中的二氧化碳:燃烧前捕捉、燃烧后捕捉和富氧燃料捕捉。随后,被捕捉的碳通过管道输送并储存在地下很深的岩层中。

2017年,世界上第一座碳捕捉工厂在瑞士投产,Climeworks AG成为有史以来第一个以工业规模从空气中捕捉二氧化碳并直接出售给买主的工厂。该工厂将捕捉的二氧化碳通过地下管道传送到温室,并将这些气体用于帮助蔬菜的生长。该公司希望在未来十年内大幅扩展其技术,还发出了豪言:到2025年,要捕捉全球1%的年二氧化碳排放量。

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此外,在美国和加拿大,也有一部分创业公司正在开发碳捕捉工厂。例如,加拿大创业公司Carbon Engineering致力于开发直接从空气中捕捉碳的技术,新近于2019年3月获得6800万美元融资,投资者阵容庞大,包括微软联合创始人比尔·盖茨、雪佛龙科技风险投资公司等。这也是该领域创业公司目前获得的最大一笔创业投资。

4.智能电网

可以说,当前的电网的运作方式仍然继承了19世纪和20世纪那些老旧的模式和问题:电力生产高度集中,逐步分发到下游,并最终到达终端用户。问题是这些电网对使用和输出的波动非常敏感。为了使其可靠地工作,往往需要生产过剩的能源。此外,这种电力分发系统容易受到攻击,而且往往依赖于排放污染的能源。

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目前,许多国家已经在大力推进智能电网建设。智能电网与其说是某项单一的技术,不如说是众多能源、配电、网络、自动化和传感技术的集成部署,是应对21世纪能源供需矛盾的一次变革。

通过采用智能电网技术,电网将迎来全新改变:本地的能源生产将对接到家庭水平,而家庭水平的电力可以反馈到电网上游;传感技术和更精确的预测模型将对能源生产进行微调,以避免生产过剩;而更好的电池技术将使可再生能源得以实时储存;随着家用电器变得越来越智能,电网可能会开始自动发出信号,要求其关闭以节省电力。

总体而言,智能电网将带来电力基础设施运作方式的巨大变化。根据电力研究所(Electric Power Research Institute)的一项研究,到2030年,智能电网技术可能帮助我们将碳排放量比10年前减少58%。

5.环境传感器

要保护环境,首要的是对环境变化能够做到随时心中有数。随着传感器、物联网、边缘计算等技术的发展,遍布各地的环境传感器网络将能够对环境变化进行实时感知、数据提取和精确分析,从而实现对环境变化更为精确的监测。

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现在,无数的网络传感器已经被用于监测空气和水质,识别污染物,跟踪酸化,并捕捉对我们的社会和经济福祉至关重要的现象的实时数据;监测建筑物能源和用水的局部传感器网络正在帮助我们减少浪费;可穿戴的空气质量传感器正在路上。所有这些传感器的进一步增长和网络化将极大地影响我们的生活方式,也将对智慧城市的建设与发展,以及更大范围的环境保护带来有效的推动。

6.新型电池

能源是阻碍许多绿色技术发展的限制因素。例如,风能和太阳能能够产生大量电力,但采用这些技术却受到了一个不可能突破的限制条件:有时没有风,也没有阳光。此外,虽然电动汽车技术正在快速发展,但除非技术不断进步,成本不断降低,基础设施不断升级,否则化石燃料仍将占据主导地位。

要解决这些问题,亟需高效的能源存储,包括新型电池技术的辅助。

据美国清洁空气特别工作组(Clean Air Task Force)称,美国加州要实现仅通过可再生能源100%供电的宏大目标,就需要在能源储存系统上投入高达3600亿美元的资金。

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众多创业公司正在该领域进行突破,例如储能技术开发商Form Energy专注于研发制造能够长期大量存储电能的硫基水系液流电池,并且为长达几个星期、几个月甚至几年的电力存储找到解决方案。据称,该项技术能够使可再生能源实现全年完全稳定和可调度的分配,并且可以扩大传输容量而无需使用新电线。该公司目前已获得意大利石油和天然气巨头埃尼集团(Eni)等机构的近5000万美元融资。

7.人造肉

近年来,越来越多人意识到工业化牲畜养殖与大规模屠宰对环境带来的破坏。2017年,超过15000名世界科学家发出警告,呼吁大幅减少人均肉类消费。

其最大的问题在于土地使用。例如,每生产100克牛肉就需要164平方米的牧场,这是中美洲和南美洲森林砍伐的主要原因之一,并导致前所未有的碳排放。另据联合国粮农组织数据,牲畜排放的温室气体约占人为排放量的14.5%。此外,动物也使用大量的淡水,而工业化畜牧业的污染径流对当地水资源也造成了污染。

在这样的背景下,人造肉应运而生。一些科技初创公司正在通过生物合成、基因编辑、细胞农业等新技术,在提升食品行业效率的同时,大幅减少对环境的破坏。

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以Beyond Meat、Impossible Foods为代表的植物肉生产商,以Mosa Meat、Memphis Meats为代表的实验室培植肉生产商,以BlueNalu、Finless Foods为代表的海鲜替代食品生产商都在这一新兴行业发起冲击。其中,Beyond Meat在今年5月的成功上市,更是掀起了人造肉创业与投资热潮。

8.植物性塑料

塑料废弃物对环境的巨大破坏显而易见。为此,全球许多国家都已经颁布禁塑令,以限制一次性塑料的使用。如何从技术角度去解决这一问题,也越来越引起各大食品厂商、包装厂商和众多创业公司的关注。

可生物降解的植物性塑料是这些公司正在开发的一种可行的解决方案。因为理论上,它们可以取代许多已经在流通的塑料产品。例如,印尼一家名为Avani Eco的公司从2014年开始用木薯生产生物塑料。

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但是,值得注意的是,并非所有生物塑料都能生物降解,一些与生产技术有关的优点也存在争议。在未来,该行业如何不断实现技术升级,以及推进植物性塑料的大规模商用,将是一个长期存在的问题。

9.石墨烯

石墨烯材料源于2004年在曼彻斯特大学首次发现的超薄石墨层。石墨烯比钢更坚硬,比纸更薄,比铜更导电,是一种真正的神奇材料。

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目前,石墨烯已经成为热门研究领域,以及引发无尽想象力的技术主题。许多人预测它将是继青铜、铁、钢和硅之后的,下一个揭示我们物种文化和技术进化的领域。

石墨烯只有一个原子厚,具有柔韧性、透明性和高导电性,因此适合于广泛的环境保护领域,例如水过滤、能够以最小损耗远距离传输能量的超导体,以及光伏应用等等。通过大大提高现有材料的效率,石墨烯可能被证明是我们实现绿色重生的基石。

10.太阳能玻璃

如果摩天大楼的每个窗户都能产生能量,对我们的能源利用效率将产生怎样的改变?这就是太阳能玻璃的前景。

太阳能玻璃是一种新型透明窗材料,能捕捉太阳的能量并将其转化为电能。作为一项新兴技术,它在建筑节能和可持续发展领域引起了广泛关注。

对于太阳能玻璃来说,最大的技术障碍是能量转化效率。目前,高性能太阳能电池可以达到25%或更高的转化效率,但太阳能玻璃要保持透明度,就意味着牺牲光转化为电的效率。

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目前,美国密歇根大学的一个研究小组正在开发一种太阳能玻璃产品,能够让50%的光通过,并实现15%的转化效率。该小组发表的一项研究预测,有50亿至70亿平米的可用窗户空间,足够用太阳能玻璃产品满足美国40%的能源需求。目前,该项目已获得美国能源部太阳能技术办公室的130万美元资助。

总体来看,上述技术中,有的已经投入应用,有的还处在研发阶段,有的甚至还处于争议和质疑之中。但不管如何,人类在应对气候变化、环境危机的征途中,新技术的开发与应用将不断实现进步。

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