编者按：鉴于奥巴马政府重新关注如何在不向大气中排放过多温室气体的情况下为国家供电，我们刊登了这篇来自2006年9月刊的专题报道。
为了让这个世界保持我们所希望的宜居状态，人类必须完成一场技术变革的马拉松，其终点线远远超出地平线。普林斯顿大学的罗伯特·H·索科洛和斯蒂芬·W·帕卡拉将这一壮举比作一场多代人的接力赛。他们概述了一项赢得前50年赛段的战略，通过抑制一个世纪以来不受约束加速的二氧化碳排放。现有技术，如果明智且及时地应用，应该可以将我们带到这第一个里程碑，而不会践踏全球经济。这是一个稳妥的A计划。
然而，该计划远非万无一失。它取决于社会加大一系列减碳措施，形成七个“楔子”，每个楔子都将250亿吨碳保留在地下，不进入大气。任何缓慢的起步或早期的停滞都会使我们偏离轨道。一些科学家担心，到2056年，稳定温室气体排放将需要多达18个楔子，而不是索科洛和帕卡拉在其最广泛引用的模型中预测的七个。
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纽约大学的物理学家马丁·I·霍弗特认为，假设碳排放量的增长速度将慢于经济产出和能源使用量的增长速度是错误的。他指出，随着石油和天然气价格的上涨，能源行业正在通过重新转向煤炭而“重新碳化”。霍弗特说：“美国、中国和印度计划建造约850座燃煤发电厂，这些国家均未签署《京都议定书》。”“到2012年，这些工厂的排放量将是京都减排量的五倍。”
即使A计划奏效，今天的青少年在退休前完成接力赛的第一赛段，这场比赛也只完成了一半。接力棒将在2056年传递给新一代，进行马拉松的下一段，可能也是更难的部分：到2106年将二氧化碳排放率减半。
因此，世界迟早会需要一个B计划：一种或多种根本性的新技术，它们加在一起可以提供10到30太瓦的电力，而不会排放一吨二氧化碳。自20世纪60年代以来，能源爱好者一直在探讨许多这样的疯狂想法。现在是认真对待它们的时候了。“如果我们现在不开始为能源系统的革命性变革建设基础设施，”霍弗特警告说，“我们将永远无法及时做到这一点。”
但要建设什么呢？下面的调查评估了一些最有希望的选择，以及一些流行的但不太可能的选择。它们都不是确定的事情。但是，这些想法中的一个可能会成为人类文明的新引擎。
* 现实因素代表从1（不可能）到5（准备上市）的估计技术可行性
1. 核聚变--现实因素：3*
充满幻想的物理学家指出了无限燃料和极少废物的希望。但政治家们畏惧聚变的价格标签，并担心被烧伤
聚变反应堆——通过连接原子而不是分裂原子来产生核能——几乎是每个人心目中人类的终极能源技术。通过利用引发太阳的相同强大的热核力，聚变电厂每天只需从几公斤燃料中提取千兆瓦的电力。它的氢同位素燃料将来自海水和锂，一种常见的金属。反应堆不会产生温室气体，并且会产生相对少量的低放射性废物，这些废物将在一个世纪内变得无害。加利福尼亚大学圣地亚哥分校能源研究中心主任、聚变专家法罗赫·纳吉马巴迪说：“即使电厂被（事故或袭击）夷为平地，围栏外一公里的辐射水平也会很小，以至于没有必要疏散。”
问题在于，聚变是否能在21世纪做出巨大贡献，还是一个22世纪的解决方案。通用原子公司能源集团负责人大卫·E·鲍德温负责监督美国最大的聚变反应堆DIII-D，他说：“十年前，一些科学家质疑聚变是否可行，即使在实验室里也是如此。”但过去20年中，托卡马克装置取得了显著进步，这种装置使用巨大的电磁线圈将电离燃料限制在甜甜圈形的腔室内，同时将等离子体加热到超过1亿摄氏度。
“我们现在知道聚变是可行的，”鲍德温说。“问题在于它在经济上是否可行”——如果是的话，聚变能以多快的速度从目前的实验形式转变为大规模商业反应堆。“即使有一个速成计划，”他说，“我认为我们需要25到30年”才能开发出这样的设计。
到目前为止，政治领导人选择以更慢的速度推进聚变。在首次提出近20年后，国际热核实验反应堆（ITER）现在才接近最终批准。如果按计划明年开始建设，这座耗资100亿美元的反应堆应该会在2016年在法国东南部开始运行。
与此同时，印度、中国和韩国正在完成的中间代托卡马克装置将测试由超导材料制成的线圈是否可以将燃烧的等离子体在其磁瓶内旋转数分钟。目前的反应堆在电源耗尽之前，最多只能维持几十秒钟。
ITER旨在实现三个主要目标。首先，它必须证明大型托卡马克装置可以控制氢同位素氘和氚聚变成氦的过程足够长的时间，以产生其消耗能量的10倍。第二个目标是测试如何利用反应产生的高速中子来繁殖氚燃料——例如，将其射入周围的锂层。第三个目标是集成商业聚变电厂所需的各种技术。
如果ITER成功，它不会向电网增加一瓦特的电力。但它将使聚变超越核裂变能源在1942年达到的里程碑，当时恩里科·费米主持了第一次自持核链式反应。裂变反应堆在11年后为潜艇提供动力。然而，聚变是一个无比困难的问题，该领域的一些资深人士预测，需要20到30年的ITER实验才能改进生产厂的设计。
纳吉马巴迪更为乐观。他领导的一个工作组已经为商业聚变反应堆设计了三个粗略的设计。最新的名为ARIES-AT，它的占地面积更小——因此资本成本更低——比ITER更低。ARIES-AT机器将以每千瓦时大约5美分的价格生产1,000兆瓦的电力，与今天的燃油和燃气发电厂具有竞争力。纳吉马巴迪认为，如果商业工厂的工作与ITER并行开始，而不是在ITER上线数十年后才开始，那么聚变可能会在世纪中期准备好扩大生产规模。
霍弗特认为，如果利用托卡马克产生的高速中子将钍（相对丰富）转化为铀（50年后可能稀缺），然后在核裂变电厂中用作燃料，那么聚变的成本竞争力将更高。“聚变倡导者不希望玷污其清洁形象，”霍弗特观察到，“但聚变-裂变混合动力可能是未来的发展方向。”
2. 高空风能--现实因素：4*
最强的狂风翱翔在当今涡轮机的顶部之上。新的设计将升得更高——甚至可能达到急流
风是运动中的太阳能。进入大气层的阳光大约有0.5%转化为空气的动能：平均而言，地球上每平方米大气柱中的能量仅为1.7瓦。幸运的是，这种能量并非均匀分布，而是集中在强气流中。不幸的是，最大、最强大和最稳定的气流都在高空。霍弗特估计，地球上大约三分之二的风能位于对流层上层，超出了当今风力发电场的范围。
华盛顿卡内基研究所的肯·卡尔代拉曾经计算过风能如何随海拔、纬度和季节变化。最大的宝藏是急流，位于北半球20到40度纬度之间10,000米（33,000英尺）高空。在美国、欧洲、中国和日本上空——实际上，许多最适合利用它的国家——风能飙升至每平方米5,000甚至10,000瓦。急流确实会游荡。但它永远不会停止。
如果风能要为全球能源预算贡献太瓦级电力，工程师们将不得不发明经济实惠的方法来开采这个宝藏。三种高空设计正在积极开发中。
位于安大略省渥太华的马根动力公司计划明年开始销售一种旋转的、充氦发电机，该发电机利用马格纳斯效应（最著名的是为旋转的高尔夫球提供升力）漂浮在离地面高达122米的系绳上。这种公共汽车大小的设备将在其地面站产生4千瓦的电力，零售价约为10,000美元——不包括氦气。该公司计划到2010年生产更高、1.6兆瓦的装置，每个装置都像一个足球场大小。
“我们研究了气球；它们产生的阻力在高风中似乎难以控制，”加利福尼亚州拉莫纳的 Sky WindPower 公司的 Al Grenier 说。Grenier 的公司转而采用自旋翼机，它像直升机一样用旋翼捕获风力。这些机器升至 10,000 米的高度时，可以实现其峰值容量的 90%。而地表风的不稳定性限制了地面涡轮机只能达到大约一半的水平。但该公司一直在努力筹集 250 千瓦原型机所需的 400 万美元。
荷兰代尔夫特理工大学的宇航员 Wubbo J. Ockels 和他的学生们设计的“梯磨机”仍处于概念阶段。Ockels 设想用一根长系绳连接一系列计算机控制的风筝。风筝梯上下移动，在上下摇摆时带动地面上的发电机。该系统的模拟结果表明，一个延伸到急流的梯磨机可以产生高达 50 兆瓦的能量。
在高空机器投入使用之前，没有人能够确定它们在湍流、阵风和雷击下会表现如何。高昂的维护成本可能是它们失败的原因。
此外，还有监管障碍需要清除。高空风电场比地面风电场需要的土地少，但其运营商必须说服国家航空机构限制附近的飞机交通。Grenier 指出，这有先例：美国空军多年来一直在该国南部边境上空高空飞行多达十几个大型系留式飞艇。
然而，按照革命性技术的标准来看，高空风力发电看起来相对简单且无害。
3. 科幻解决方案 -- 现实因素：1*
未来主义的愿景是很好的娱乐。可惜物理学原理不允许
3-A：冷聚变和气泡聚变 1989 年，B. Stanley Pons 和 Martin Fleischmann 声称在瓶子中实现了室温聚变，引起了轩然大波。这个想法吸引了一批铁杆支持者，但主流科学家普遍否定了这种冷聚变。
理论上更合理——但仍然存在实验争议——的是声聚变。2002 年，当时在橡树岭国家实验室的物理学家 Rusi Taleyarkhan 在《科学》杂志上报道说，将高强度超声波和中子束射入丙酮容器中，会导致微小的气泡形成，然后以超音速内爆。丙酮是用氘（一种含中子的氢形式）制成的，Taleyarkhan 的小组声称，内爆气泡内部产生的极端温度和压力迫使一些氘原子与入射的中子融合，形成氚（每个原子有两个中子的氢）。橡树岭的另一个小组重复了该实验，但没有看到明显的聚变迹象。
Taleyarkhan 搬到普渡大学，继续报告声波聚变的成功，即使其他人尝试但失败了。普渡大学今年调查了关于 Taleyarkhan 干预同事工作的指控，这些同事的工作似乎与他自己的工作相矛盾。调查结果被封存——也给冷聚变的令人失望的历史又添一笔。其他研究人员仍然抱有希望，希望不同的方法有朝一日能够翻开声波聚变的新篇章。
3-B：物质-反物质反应堆
传说中的企业号星舰使用物质和反物质的混合物为曲速引擎提供动力；我们为什么不能？这种组合无疑是强大的：每公斤的物质和反物质通过相互湮灭，释放出的能量大约相当于去年美国燃烧的所有汽油释放的能量的一半。但是，目前没有已知的反物质天然来源，因此我们必须合成它。而世界上最高效的反物质制造机，日内瓦附近的欧洲核子研究中心的粒子加速器，必须不间断地运行 100 万亿年才能制造出一公斤的反质子。
因此，即使物理学家有办法捕获奇怪的反原子[见“制造冷反物质”，作者：Graham P. Collins；《大众科学》，2005 年 6 月]，反物质发电厂也永远不会实现。
4. 太空太阳能 -- 现实因素：3*
如果在轨道上安装面板，那里阳光最强烈——而且总是阳光充足——太阳能真的可以腾飞。但有一个问题
1968 年，当 Peter Glaser 提出城市大小的卫星可以从深空获取太阳能并以看不见的微波形式将其传回地球时，这个想法似乎很遥远，即使考虑到 Glaser 作为国际太阳能学会主席的资历。但 1970 年代的石油危机导致燃料价格飙升后，美国宇航局的工程师对该计划进行了长时间的仔细研究。这项技术似乎可行，直到 1979 年，他们估计了“首次发电成本”：3050 亿美元（以 2000 年美元计算）。这就是该项目的终结。
然而，自那时以来，太阳能和空间技术取得了巨大进步，太空太阳能（SSP）仍然有它的支持者。Hoffert 列举了高空阵列可以胜过其陆基同行的两个巨大优势。在地球阴影和大气层之外的地球静止轨道上，阳光的平均强度是地面的八倍。而且由于太阳始终在它们的视线中，SSP 站可以将可靠的、固定数量的电力输送到电网中。（一个覆盖数平方公里土地的整流天线，或“整流天线”，即使被云层遮挡，也可以将微波转换为电流，效率约为 90%。）
“SSP 提供了一种真正可持续、全球规模且零排放的电力来源，”Hoffert 辩称。“它比受控热核聚变更具成本效益和技术可行性。”然而，他抱怨说，对太空太阳能的研究资金极少，而一个耗资 100 亿美元的聚变反应堆刚刚获得批准。
美国宇航局实际上在 1995 年至 2003 年期间资助了一些小型研究，评估了各种 SSP 组件和架构。这些设计利用薄膜光伏技术发电，高温超导体传输电力，以及红外激光器（取代微波发射器）将电力传输到地面站。这些高科技创新使 SSP 工程师能够降低系统的重量，从而降低了将它们发射到轨道的巨大成本。
但问题是：功率有效载荷比率（每公斤几百瓦）仍然太低。在它提高之前，即使考虑到地面替代能源需要用于平抑夜间和恶劣天气低谷的储能系统，太空太阳能也永远无法与其它可再生能源的价格相匹配。
然而，技术进步可以迅速改变游戏规则。更轻或更高效的光伏材料正在开发中]。例如，今年 5 月，瑞士纳沙泰尔大学的研究人员报告了一种在太空坚固的薄膜上沉积非晶硅电池的新技术，该技术可产生每公斤 3,200 瓦的功率密度。领导美国宇航局从 1995 年到 2003 年的 SSP 计划的 John C. Mankins 说，尽管这令人鼓舞，“问题在于支撑结构和电源管理”。Mankins 认为，目前正在设计中的先进的地球到轨道空间运输系统更有希望，这些系统可能会在未来几十年内将发射成本从每公斤 10,000 美元以上降低到几百美元。
日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）去年宣布计划在 2010 年发射一颗卫星，该卫星将展开一个大型太阳能阵列，并将 100 千瓦的微波或激光功率传输到地球上的接收站。该机构的长期路线图要求在 2020 年之前飞行一个 250 兆瓦的原型系统，为十年后的千兆瓦级商业 SSP 工厂做准备。
美国宇航局曾经也有类似的宏伟设计，但两年前，当其优先事项转向太空探索时，该机构在很大程度上停止了 SSP 的工作。
5. 纳米技术太阳能电池 -- 现实因素：4*
从原子层面上设计的材料可以将光伏效率从可悲的水平提高到盈利的水平
5 吉瓦——仅占全球能源消耗总量的 0.038%。大约来说，这就是太阳能电池首次商业化半个世纪后，全球所有已安装的光伏 (PV) 电力系统的累计容量。在最未能实现潜力的类别中，太阳能发电是一项无与伦比的技术。
即使轨道阵列永远无法升空，纳米技术现在看起来可以拯救太阳能，使其摆脱长期的无关紧要的地位。工程师们正在研究各种材料，这些材料超越了当今大多数光伏电池中使用的块状硅，从而提高了它们的效率和成本。
最先进（且最昂贵）的第二代硅电池可实现约 22% 的效率。如果今年 3 月报告的发现如预期般实现，那么掺杂了量子点的新材料可能会使这一效率翻倍。这些点的宽度均小于 100 亿分之一米，由科罗拉多州国家可再生能源实验室和新墨西哥州洛斯阿拉莫斯国家实验室的小组创建。
当阳光照射到硅电池时，大部分最终都变成了热量。最好的情况下，一个光子可以击落一个电子。量子点可以使更广泛的波长发挥作用，并且每个光子可以踢出多达七个电子。这些电子中的大多数很快会再次卡住，因此工程师们正在测试更好的方法来将它们输送到电线中。他们还在寻找比当今纳米晶体中的铅、硒和镉更环保的点材料。尽管它们的名字听起来很高科技，但这些点的制造成本相对较低。
另一种类型的纳米颗粒有望帮助太阳能在价格上具有竞争力。在旧金山附近，Nanosolar 正在建造一座工厂，该工厂将通过在连续的超薄薄膜卷上印刷纳米级的铜铟镓二硒化物颗粒，每年生产 2 亿个电池。这些颗粒会自组装成光收集结构。Nanosolar 的首席执行官表示，他的目标是将成本降至每瓦 50 美分。
这种热潮唤醒了能源巨头。壳牌现在拥有一家生产太阳能电池的子公司，而英国石油公司在 6 月启动了与加州理工学院为期五年的项目。其目标：由硅纳米棒制成的高效太阳能电池。
6. 全球超级电网 -- 现实因素：2*
革命性的能源需要一个覆盖全球的革命性超导电网
霍弗特观察到：“可再生能源的一个基本问题是供需匹配。”阳光、风、波浪，甚至生物燃料作物的供应都会以不可预测的方式时有时无，而且往往集中在人烟稀少的地方。一个解决方案是建造由超导线制成的长距离输电线路。当冷却到接近绝对零度时，这些管道可以以几乎没有损耗的方式将巨大的电流输送到很远的距离。
7 月，新泽西州的 BOC 集团及其合作伙伴开始在纽约州奥尔巴尼的电网中安装 350 米的超导电缆。这条氮冷却链路将以 34,500 伏的电压传输高达 48 兆瓦的电流。“我们知道这项技术是可行的；这个项目将证明这一点，”BOC 的副总裁 Ed Garcia 说。
在 2004 年的一个研讨会上，专家们勾勒出了一个“超级电网”的设计，该电网将同时传输电力和氢气。氢气被冷凝成液体或超冷气体，将冷却超导电线，还可以为燃料电池和内燃机提供动力。
有了横跨大陆的超级电网，澳大利亚的太阳能阵列和西伯利亚的风力发电场可能会为美国的照明和欧洲的空调提供电力。但是建设这样的基础设施很可能需要几代人的时间和数万亿美元。
7. 波浪和潮汐 -- 现实因素：5*
汹涌的海洋提供了巨大的、但几乎未开发的能源。各公司现在正准备抓住海浪的机遇
利用海洋不间断运动的梦想显然已经转机。“海洋能源比风能落后大约 20 年，”电力研究所的海洋能源负责人 Roger Bedard 承认。“但它肯定不会花 20 年时间才能赶上。”
在 20 世纪 80 年代和 90 年代，潮汐和波浪发电的倡导者只能指出两个商业上的成功案例：法国一座 240 兆瓦（MW）的潮汐电站和新斯科舍省一座 20 兆瓦的潮汐电站。现在，中国也在岱山启动了一座 40 千瓦（kW）的设施。六台 36 千瓦的涡轮机即将开始在纽约市的东河旋转。今年夏天，第一个商业化波浪发电厂将在葡萄牙上线。投资者和政府正在酝酿更大的计划。
最宏大的计划在英国，分析师认为，海洋能源最终可以供应该国五分之一的电力，并履行其在《京都议定书》下的义务。英国政府在 7 月份下令对塞文河口进行可行性研究，该河口的潮汐量位居世界第二，将建造一座 16 公里的大坝。这座被称为塞文堤坝的工程，将耗资 250 亿美元，在潮汐流动时产生 8.6 吉瓦的电力。支持者声称它将运行一个世纪或更长时间。
环保组织警告说，堤坝会对河口生态系统造成破坏。海洋潮流涡轮机的 Peter Fraenkel 认为，比大坝更好的选择是他的公司开发的 SeaGen 涡轮机阵列。分布在英国海岸线的这种潮汐发电场可以产生几乎与塞文堤坝一样多的电力，但资本投资、电力变化和环境影响更小。
今年，当该公司在斯特兰福德湖安装的潮汐发电机开始向北爱尔兰的电网贡献平均 540 千瓦的电力时，弗兰克尔的说法将受到小规模的考验。这台机器的工作原理很像水下风车，两个转子共享一个固定在海床上的桅杆。
“潮汐发电的最大优势是它完全可预测，”贝达德说。“但在全球范围内，它永远不会很大。”因为潮汐移动速度足够快的地方太少了。
能量充沛的波浪更加反复无常，但也更加无处不在。贝达德小组的一项分析发现，如果仅利用美国 20% 的商业上可行的近海波浪资源，并采用 50% 效率的波浪发电场，产生的能量将超过该国所有传统水力发电的总和。
四家公司最近完成了他们的波浪转换设计的海上试验。其中一家公司 Ocean Power Delivery 将很快从其 120 米长的 Pelamis 机器中的三台开始在葡萄牙海岸附近收获 2.25 兆瓦的电力。如果一切顺利，它今年将再订购 30 台。冲浪开始。
8. 定制微生物 -- 现实因素：4*
基因工程师认为他们可以创造合成生命形式，让我们像种植食物一样轻松地获取能源
J. Craig Venter 说：“我们把基因组视为细胞的软件，甚至是操作系统。”他建议现在是升级的时候了。文特是在对合唱团布道：今年 5 月举行的合成生物学 2.0 会议上的一大批生物学家。那里的许多科学家都有项目对生物体进行广泛的基因重组，使由此产生的细胞具备合成物种的资格。文特因帮助开发出用于对人类基因组进行测序的高速方法而声名鹊起并获得财富，他最近成立了一家公司 Synthetic Genomics，以将定制细胞商业化。“我们认为这个领域有巨大的潜力来取代石化行业，可能在十年内实现，”他说。
这种评估可能过于乐观；还没有人从头开始组装一个细胞。但文特报告说，他的团队在创建人工染色体方面取得了快速进展，这些人造染色体仅包含在受控、营养丰富的环境中维持生命所需的最小基因组。“第一个合成原核细胞[没有细胞核]肯定会在未来两年内出现，”他预测道。“而合成的真核基因组[用于具有细胞核的细胞]最多将在十年内出现。”
文特设想了一种新型微生物，可以从发电厂的烟囱中捕获二氧化碳，并将其转化为锅炉用的天然气。“我们星球上已经有成千上万，甚至数百万种生物知道如何做到这一点，”文特说。尽管这些物种中没有一种可能适合在发电厂中生存，但工程师可以为新的创造物借用它们的基因回路。“我们还在构建生物系统，试图利用光合作用直接从阳光中产生氢气，”他补充说。
劳伦斯伯克利国家实验室主任 Steven Chu 宣布，他的实验室正在准备一项重大项目的提案，以利用太阳的力量并将其转化为运输燃料。Chu 解释说，借助基因工程工具，“我们可以努力改造植物和藻类，使其能够自我施肥并抵抗干旱和害虫。”这种新型作物将提供高产的纤维素，人造微生物随后可以将其转化为燃料。楚预计生物加工的效率将远远高于目前用于制造乙醇的蒸汽爆炸和水解等能源密集型工艺。
随着油价接近每桶 80 美元，生物加工可能不必等待从头开始构建的生命形式。马萨诸塞州剑桥的 GreenFuel 公司已经在发电厂安装了藻类养殖场，将它们排放的二氧化碳中的高达 40% 转化为生物燃料的原材料。该公司声称，一个 1 吉瓦发电厂旁的大型藻类养殖场每年可以生产 5000 万加仑的乙醇。“这里有巨大的机会，”楚肯定地说。“不仅如此，它还将有助于拯救世界。”