许多人正在努力更有效地利用可再生能源，并提高能源效率。一切都很好。然而，大多数努力可能会带来受欢迎但渐进式的改进。要彻底改变能源格局，就需要 радикальные 创新。
多年来，科学家和工程师们一直在吹捧一些奇妙的计划：将太阳能束射到陆地接收器的卫星；悬浮在大气中发电的风力发电机。然而，在地球上，研究人员最近在一些关键领域获得大量政府或私人资金，用于各种引人注目的长期技术。我们在此介绍的项目是可能获得回报的主要例证——当然，前提是发明者能够克服将实用、批量生产和经济实惠的技术推向市场的艰巨障碍。
——编辑部
发电厂 聚变触发裂变
激光从乏核燃料中诱导出电力
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几十年来，物理学家和工程师们一直致力于驾驭核聚变，这种过程同样在氢弹和太阳中燃烧。研究人员可以轻松地产生聚变反应——猛烈地将氢核撞击在一起，使它们融合，释放出中子和能量。困难的部分是以如此高的效率进行，使反应释放的能量多于启动反应所用的能量，这种条件称为点火，最终可以发电。
因此，加利福尼亚州利弗莫尔国家点火装置的科学家们提出了一个新的转折：利用聚变来驱动裂变，即原子裂变，为传统的核反应堆提供动力。主任爱德华·摩西声称，这一过程可能在 20 年内促成原型发电厂的诞生。
在利弗莫尔的方案中，激光脉冲在反应室中心产生聚变爆炸，释放出中子，中子分裂反应室壁上厚厚的铀或其他燃料层中的原子。来自这些裂变原子的能量将使反应室的功率输出增加四倍或更多。聚变驱动裂变用于和平目的的概念可以追溯到苏联氢弹之父安德烈·萨哈罗夫，他在 20 世纪 50 年代提出了这个想法。
如果大部分电力来自裂变，为什么不坚持使用传统的核电站，避免开发聚变触发器的麻烦呢？裂变反应堆依赖于链式反应，其中来自裂变原子的中子触发更多原子分裂。维持链式反应需要钚或浓缩铀燃料，这两种燃料都可用于核武器。
在混合聚变-裂变电站中，来自聚变爆炸的中子产生裂变，无需维持链式反应。这种布置扩大了可能的燃料范围，包括未浓缩铀、贫铀（铀浓缩的大量废料）甚至其他核反应堆的乏燃料——否则这些废物必须储存数千年，或者经过复杂且危险的后处理才能在裂变电站中重复使用。
另一个好处是燃耗量。传统的反应堆在其燃料必须更换之前，仅分裂其燃料中可裂变原子的几个百分比。摩西说，聚变-裂变电站可以实现 90% 的燃耗，因此可能只需要典型裂变反应堆 1/20 的燃料。“焚烧”阶段将在电站大约 50 年寿命的最后十年中进行，这将把大约 2,500 公斤的长寿命废物减少到大约 100 公斤，尽管在这些年里发电量会下降。
研究人员还在研究基于磁约束聚变的聚变-裂变方案，磁约束聚变是激光聚变的竞争对手，它将聚变反应限制在强大的磁场中。2009 年，德克萨斯大学奥斯汀分校的科学家提出了一种带有紧凑型磁约束聚变触发器的混合反应堆。中国的研究人员正在评估针对发电、增殖传统反应堆燃料和燃烧核废料而优化的设计。
任何形式的聚变能都是一个 радикальные 命题。即使摩西的装置今年证明了点火，在发电厂成为现实之前，仍然存在重大的技术障碍。微小的、经过精密设计的聚变燃料丸靶丸必须能够廉价地批量生产。点火必须每秒发生 10 次，这需要一系列未经证实的技术（国家点火装置最多每天只能进行几次目标射击）。
混合方法还需要纯聚变不需要的技术——特别是裂变包层，包括能够承受比传统反应堆中遇到的热量和中子冲击大得多的裂变燃料。提案范围从固体、多层“卵石”到溶解在熔盐中的铀、釷或钚液体。
挑战是艰巨的，摩西已经规划了一条积极的发展道路来实现这些目标。不过，首先，他的装置必须证明激光聚变实际上可以实现点火。 ——格雷厄姆·P·柯林斯
液体燃料 太阳能汽油
集中的阳光和二氧化碳推动车辆行驶
太阳在一小时内照射到地球上的能量超过了人类一年使用的能量。如果科学家能够将其中哪怕一小部分盈余转化为液体燃料，我们对用于交通运输的化石燃料的依赖以及它们引起的问题就可以结束。“如果你能够直接、高效且廉价地利用阳光制造化学燃料，那将是游戏规则的改变者，”加州理工学院人工光合作用联合中心主任内森·刘易斯指出。
圣地亚国家实验室的一项有趣尝试是在新墨西哥州的沙漠中使用一个六米宽的镜面抛物面天线。它将太阳光线集中在一个半米长的圆柱形机器上，该机器形状像啤酒桶，安装在抛物面天线的前面。镜面将阳光通过机器壁上的一个窗口聚焦在十几个每分钟旋转一次的同心环上。氧化铁（铁锈）或氧化铈的齿轮镶在环的边缘并旋转到光束中，加热到 1,500 摄氏度。这种热量将氧气从铁锈中驱赶出来。当齿轮旋转回到较冷的暗侧反应器时，它们从蒸汽或已引入腔室的二氧化碳中吸回氧气，留下富含能量的氢气或一氧化碳。
氢气和一氧化碳的混合物称为合成气，或合成气体——化石燃料、化学品，甚至塑料的基本分子构件。该过程还可以吸收与燃料燃烧时排放的 CO2 一样多的 CO2。能源高级研究计划署署长阿伦·马朱达尔说，这样的太阳能燃料系统“就像一石四鸟”：清洁燃料供应、更高的能源安全性、二氧化碳减排和减少气候变化。
包括苏黎世瑞士联邦理工学院和明尼苏达大学在内的其他地方的研究人员正在开发合成气生产机械。一些初创公司正在探索其他途径。位于马萨诸塞州剑桥市的 Sun Catalytix 公司将一种廉价催化剂浸入水中，并使用太阳能电池板的电力产生氢气和氧气。位于新泽西州蒙茅斯交界处的 Liquid Light 公司将 CO2 鼓入电化学电池中，将其构建成甲醇。刘易斯本人正在用半导体纳米线建造人工树叶，这些纳米线吸收阳光以将水分解成氢气和氧气。
当然，克服实际问题是主要障碍。在圣地亚，齿轮不断破裂，阻碍了反应。“你要在 1,500 度到 900 度之间来回循环；这对材料来说要求太高了，”亚利桑那州立大学 LightWorks 主任化学家加里·德克斯指出，他没有参与这项工作。下一步是在纳米尺度上使铁锈结构更加坚固，或者找到更好的齿轮材料。镜面的高成本也必须降低。圣地亚的研究人员表示，他们的合成气发动机可以每加仑 10 美元（每升 2.65 美元）的价格生产燃料。“我们还没有向自己证明我们做不到，”化学工程师和共同发明人詹姆斯·E·米勒说，“但我们离做到这一点还很遥远。”
—大卫·比埃洛
电力 量子光伏
热电子使太阳能电池效率提高一倍
当今的商用太阳能电池仅将它们接收到的 10% 到 15% 的光转化为电流，导致电力昂贵。原因之一是单层吸光硅的理论效率极限约为 31%（最好的实验室电池达到 26%）。对半导体晶体或量子点的新研究可能会将理论最大值提高到 60% 以上，为以有竞争力的价格发电的产品开辟道路。
在传统电池中，入射光子从硅中击出电子，使电子自由流入导线，建立电流。不幸的是，许多太阳光子的能量过高；当它们撞击硅时，会释放出“热电子”，这些“热电子”会迅速以热量的形式损失能量，并在被导线捕获之前返回其初始状态。如果能够在热电子冷却之前捕获它们，最大效率可能会翻倍。
一种解决方案是减缓电子冷却的速度，为捕获它们创造更多时间。去年，德克萨斯大学奥斯汀分校的化学家朱晓阳和他的同事们转向了由数千个原子组成的量子点。朱将硒化铅点沉积到常见的材料二氧化钛的导电层上。当他照射光时，热电子花费的时间延长了 1,000 倍才失去热量。圣母大学的普拉尚特·卡玛特说，朱“真正表明了这个概念是可行的”，他没有参与这项研究。
然而，阻止电子只是目标的一部分。朱现在正在寻找一种方法来帮助导体将尽可能多的热电子转化为电流，这样导体本身也不会将它们作为热量吸收。
实现可工作的太阳能电池仍然存在许多障碍。“我们需要确立所有的物理原理，”朱说——热电子究竟是如何冷却的，它们是如何转移到导体中的。“一旦我们弄清楚所有这些，我们就可以说出最终要使用的材料是什么。”他预测，这项工作“需要一段时间。但我相信我们能做到。我想在我的屋顶上看到这些太阳能电池。”商业回报可能是巨大的。
—J.R. 明克尔
废物回收 热机
形状记忆合金为汽车、电器和机械产生额外的动力，高达 60% 的能量
在美国产生的能源中有高达 60% 被浪费——其中大部分以热量的形式从数百万辆汽车和发电厂中流失。密歇根州沃伦通用汽车公司的科学家们正试图利用被称为形状记忆合金的奇异材料来捕获这种浪费的能量，形状记忆合金可以将热能转化为机械能，而机械能又可以发电。团队负责人艾伦·布朗的目标是回收汽车排气系统中的热量，为空调或收音机供电，这样发动机就不必这样做。
布朗计划用由镍钛合金制成的薄平行线束制成的带子来收集热量，这种合金“记住”特定的形状。所有形状记忆合金都在两种状态之间来回切换：在本例中，是在较高温度下的刚性“原始状态”和在较低温度下的更柔韧状态。在通用汽车的设计中，带子拉伸在形成三角形角的三个滑轮上。带子的一个角靠近热排气系统，另一个角则更远，在那里更凉爽。通过在高温角收缩并在较冷角膨胀，带子将自身拉动到环形回路周围，旋转滑轮。滑轮可以转动驱动发电机的轴。温差越大，环形回路转动得越快，产生的功率就越大。
通用汽车的原型证明了原理，而不是实际的硬件。一小束 10 克的股线产生适度的两瓦功率，足以为一个小夜灯供电。布朗声称，这项技术可以在十年内扩大规模并推向市场，并补充说，没有任何技术问题妨碍将形状记忆合金热机改装到家用电器或发电厂冷却塔上。HRL 实验室的合作材料科学家杰夫·麦克奈特解释说，这些合金开辟了以前被认为不切实际的应用领域，因为它们可以在低至 10 摄氏度的温差下工作。
通用汽车的设计很简单，但仍然是一个长期项目。形状记忆合金会疲劳，变得脆性。需要连续处理三个月才能嵌入原始状态形状记忆。金属丝很难连接成带子。弄清楚如何有效地使用空气加热和冷却带子也具有挑战性。布朗并没有确切说明他的团队是如何解决这些问题的，只是指出他们正在改变金属丝的规格、带子的几何形状以及带子的加热和冷却方式——“科学和人类所能想到的”每一个变量。
在回收热量的竞赛中，通用汽车并非孤军奋战。伊利诺伊大学的桑吉夫·辛哈正在开发柔性固态材料，可以将热量转化为电能。如果热机可以内置到现有和未来的硬件中，那么应用将是无穷无尽的：从数千个冷却塔和工厂锅炉到数百万个家用散热器、冰箱和烟囱，以及拖拉机、卡车、火车和飞机。全球可以产生数万亿焦耳的能量，大幅削减化石燃料消耗。
—比贾尔·P·特里维迪
车辆 冲击波汽车发动机
燃气涡轮汽车比活塞动力混合动力汽车行驶里程远五倍
一个多世纪以来，活塞发动机几乎为所有汽车和卡车提供动力。即使是今天的混合动力汽车和新型增程器（如雪佛兰 Volt）也使用小型活塞发动机来提高功率并有效地为电池充电。但密歇根州立大学正在开发一种完全不同的设计，称为波盘发动机或冲击波发动机，它消除了活塞。如果该项目取得成功，未来的混合动力汽车每升汽油的行驶里程可能会增加五倍。
密歇根州立大学机械工程教授、共同发明人诺伯特·穆勒说，这种紧凑型发动机只有烹饪锅大小，所需的设备比活塞发动机少得多。不需要活塞、连杆和发动机缸体。穆勒说，减轻的质量和更高的燃油效率可以“使带有再生制动的插电式混合动力汽车在相同数量的燃料下行驶里程增加五倍，从而相应地减少二氧化碳排放”。该系统还可以将制造成本降低多达 30%。
穆勒和他的团队正在他们在东兰辛实验室的工作台上测试一个原型波盘发电机。他们的目标是演示一台可工作的 25 千瓦（33 马力）发动机。他预计他的第一台机器的能量转换效率约为 30%，低于领先柴油发动机设定的 45%。但他乐观地认为，改进可能会将效率提高到 65% 的水平。
在传统的火花点火发动机中，火花塞点燃腔室内的汽油和空气混合物，驱动活塞转动曲轴，曲轴最终转动汽车的车轮。在柴油发动机中，活塞强力压缩燃料和空气，将其点燃。由此产生的燃烧气体膨胀，向后驱动活塞，转动曲轴。
在波盘设计中，发电过程发生在旋转涡轮机内部。想象一下桌面风扇（“转子”）水平放置在桌面上，带有许多弯曲的叶片和一个围绕外边缘的外壳。高温加压的空气和燃料从中心轴进入叶片之间的间隙。当高压混合物点燃时，燃烧气体在受限空间内膨胀，形成冲击波，冲击波压缩剩余空间中的空气。冲击波从外壳的后续反射进一步压缩和加热空气，空气在合适的时刻通过外壳释放出来。加压气体对弯曲叶片的作用力，加上逸出的气体射流的作用力，驱动转子旋转，从而转动曲轴。
根据波盘的另一位共同发明人、波兰华沙理工大学副教授亚努什·皮耶赫纳的说法，工程师早在 1906 年就开始研究波转子机器。它们已经用于一些跑车的增压器中。然而，困难的部分在于知道如何管理不稳定的气体流动。穆勒说，预测这些间歇性流动的高度复杂、非线性行为需要详细的数值计算，但直到最近，这些计算都过于耗时或不精确而无法进行。在密歇根州立大学和其他地方进行的高保真模拟现在正在指导叶片几何形状的精确塑造和燃烧的瞬间计时，以提取最佳性能。
计算机模型是否能够带来实用的道路机器仍然不清楚。“波转子技术可能相当难以实施，”在克利夫兰 NASA 格伦研究中心设计流动模型的丹尼尔·E·帕克森说。密歇根州立大学的项目“绝对突破了极限”，他带着务实的怀疑和钦佩的语气说道。“无论最终结果如何，我相信他们都会学到很多东西。”
穆勒似乎毫不怀疑，如果他的团队能够完美地制造出波盘发电机，它就能在更环保的混合动力汽车中找到用武之地，从摩托车到家用轿车和送货卡车。“这只是时间、努力和想象力的问题——当然还有金钱。”
—史蒂文·阿什利
电器 磁性空调
不寻常的合金使房间凉爽，食物冷藏
空调、冰箱和冰柜有助于为我们的生活降温，但它们会消耗大量能源，消耗美国房屋用电量的三分之一。一种依赖磁铁的 радикальные 不同技术可以显著降低负荷。
大多数商用冷却器通过重复循环压缩和解压制冷剂气体或液体。当制冷剂循环时，它会将热量从房间或电器的内部抽出。然而，压缩机是耗能大户。而且，最常用的气体在释放时，其温室效应至少是二氧化碳的 1,000 倍（按分子计算）。
位于密尔沃基的美国宇航公司 (Astronautics Corporation of America) 的研究人员正在开发一种基于磁铁的冷却器，它可以消除压缩机。所有磁性材料在暴露于磁场时都会在一定程度上升温，而在去除磁场时会冷却，这是一种称为磁热效应的技巧。原子以振动的形式储存热量；当磁场对齐金属中的电子并阻止它们自由移动时，金属原子会振动得更剧烈，从而升温。去除磁场，温度就会下降。这种现象是在 1881 年发现的，但由于理论上需要低温冷却的超导磁体才能最大限度地发挥这种效应，因此它一直被商业用途所忽视。然而，1997 年，美国能源部艾姆斯实验室的材料科学家偶然发现了一种由钆、硅和锗组成的合金，该合金在室温下表现出巨大的磁热效应。此后，宇航公司一直专注于其他此类合金。
宇航公司目前正在设计一种空调，旨在为约 1,000 平方英尺的公寓或房屋降温。一个小圆盘包含由其中一种合金制成的多孔楔形物。圆盘穿过位于同一平面上的静止环形永磁体中的间隙。间隙将磁场集中在那里。当圆盘旋转时，每个磁热楔形物都会穿过间隙并升温，然后在继续前进后冷却。在系统内部循环的流体被旋转的楔形物加热和冷却，冷却后的流体从房间中吸收热量。磁铁经过精心设计，可防止磁场逸出机器外部，因此不会影响附近的电子设备或装有起搏器的人。
在传统冷却器中，压缩机完成大部分工作。在磁性冷却器中，旋转轮子的电机完成大部分工作，而电机通常比压缩机效率更高。宇航公司的目标是在 2013 年之前推出一款原型机，在提供相同冷却量的情况下，将用电量减少三分之一。一个很大的好处：该装置仅使用水来传递热量，“而且没有什么比这更环保的了，”宇航公司技术中心经理史蒂文·雅各布斯说。
该设计可以适用于冰箱和冰柜，尽管仅仅为了完成成功的原型，就必须掌握许多复杂性。控制水流过多孔楔形物的方式很棘手；圆盘每分钟旋转 360 到 600 次。此外，磁铁由昂贵的钕铁硼合金制成，因此在仍能提供强磁场的同时尽可能缩小其尺寸将是商业上的必然选择。“这是一项高风险技术，但它具有巨大的潜力，而且这种性能水平是一个合理的目标，”不列颠哥伦比亚省维多利亚大学的机械工程师安德鲁·罗说。
研究人员正在试验其他不寻常的冷却技术。位于德克萨斯州奥斯汀市的 Sheetak 公司正在开发一种完全无需制冷剂的冷却器，而是依赖所谓的温差电材料，这些材料在通电时一侧会变冷，另一侧会变热。无论如何，减少燃料消耗和减少全球变暖排放可能会使世界变得更凉爽。
—查尔斯·Q·崔
排放 更清洁的煤炭
盐从烟囱中吸走碳
煤炭是美国最便宜、最丰富的能源资源——并且作为碳含量最高的来源，是气候变化的主要驱动因素。工程师们已经设计出各种方法，在二氧化碳进入大气之前，将其从燃煤电厂的废气中去除，但这些过程会消耗高达燃煤发电量 30% 的能量。这种负担可能会使发电成本增加一倍，这使得清洁燃煤难以推销。
然而，这个想法非常吸引人，以至于能源部能源高级研究计划署以及其他机构一直在为可能降低这种不可接受的百分比的技术研究提供种子资金。
圣母大学能源中心的一项特别诱人的设计使用了一种名为离子液体的创新材料——本质上是一种盐。它的第一个优点是，与其他化学性质相似的碳吸收剂相比，它吸收的二氧化碳是其他碳吸收剂的两倍。另一个优点是，在这样做的过程中，盐会经历从固态到液态的相变。这种变化会释放热量，这些热量被回收以帮助将碳从液体中排出，以便可以进行处理。
“我们的模型表明，我们应该能够将寄生能量降低到 22% 或 23%，”化学工程师兼能源中心主任琼·F·布伦内克说。“最终，我们希望将其降至 15%。”她的团队正在建造一个实验室规模的装置来演示这项技术。
如果这种方法在目前看来是理论性的，那确实是。布伦内克承认，“这是一个 радикальные 的想法，因为这些材料是全新的，”它们在两年前才刚刚被发现。布伦内克的团队才刚刚开始探索它们，并且在任何阶段都可能出现意想不到的问题。即使该过程在实验室中有效，也可能证明无法扩展到发电厂级别。
此外，如果脱碳过程确实有效，那么碳就必须储存在某个地方。科学家们倡导的主要想法是将碳注入地下多孔岩层中——这种过程称为封存，已经过现场测试，但尚未大规模证明。一种更具实验性的想法是将 CO2 与硅酸盐混合，重现将 CO2 结合到碳酸盐岩中的自然过程，使其惰性化。
此外，还需要面对与煤矿开采以及处理燃烧后留下的有毒灰烬相关的健康和环境问题。当环保主义者听到“清洁煤炭”这个词时，许多问题让他们感到愤怒。尽管如此，煤炭是如此丰富和廉价，以至于如果一个高风险的想法奏效，它可能会在应对气候变化的斗争中发挥重要作用。
—迈克尔·莱蒙尼克