内森·S·刘易斯像一位疾言厉色的牧师一样，一直在就能源危机发表演讲，内容既令人恐惧又令人振奋。这位来自加州理工学院的化学家表示，为了避免可能造成严重破坏的全球变暖，到2050年，人类文明必须能够产生超过10万亿瓦特的清洁、无碳能源。这个水平是美国平均能源需求量3.2万亿瓦特的三倍。刘易斯指出，即使在地球上每一处湖泊、溪流和河流上都筑起大坝，也只能提供5万亿瓦特的水力发电。核能可以实现这一壮举，但世界需要在未来50年里每两天建造一座新的反应堆。
在刘易斯的听众变得过于沮丧之前，他告诉他们，有一个救赎之源：太阳每小时倾泻到地球上的能量比人类一年使用的能量还要多。但刘易斯说，为了得救，人类需要太阳能燃料技术的根本性突破：人工树叶，它将像植物一样，捕捉太阳光线并在现场生产化学燃料。我们可以像燃烧石油或天然气一样燃烧这种燃料，为汽车提供动力、产生热量或发电，并且我们可以储存燃料以供太阳下山时使用。
刘易斯的实验室是正在制造原型树叶的几个实验室之一，这些树叶的尺寸与计算机芯片相差无几，旨在从水中生产氢燃料，而不是天然树叶产生的葡萄糖燃料。与化石燃料不同，氢燃烧时是清洁的。其他研究人员正在研究用于捕获太阳能的竞争性想法，例如经过基因改造以泵出生物燃料的藻类，或经过工程改造以分泌石油的新型生物有机体。所有这些方法都旨在将阳光转化为可以储存、运输和轻松消耗的化学能。然而，刘易斯认为，人造树叶方案最有可能扩大规模，达到为人类文明提供动力所需的工业水平。
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光子燃料
尽管一些实验室原型已经生产出少量直接太阳能燃料——或有时称为电燃料的化学物质——但这项技术必须得到改进，以便可以大规模、非常廉价地制造燃料。刘易斯估计，为了为美国提供能源，美国需要制造薄而柔韧的太阳能燃料薄膜，而不是像芯片一样的独立设备，这些薄膜像新闻纸一样从高速生产线下线。这些薄膜必须像铺满墙壁的地毯一样便宜，并最终覆盖南卡罗来纳州那么大的面积。
直接太阳能燃料技术绝非天方夜谭，自从吉米·卡特总统在 1970 年代石油危机期间推动替代能源以来，该技术一直在断断续续地发展。现在，随着新的能源和气候危机迫在眉睫，太阳能燃料突然受到关注。瑞典乌普萨拉大学研究员斯滕比约恩·斯泰林正在开发模仿光合作用的人工系统，他说，致力于这一挑战的联盟数量已从 2001 年的 2 个激增到今天的 29 个。“数量太多了，我们可能都数不清了，”他补充道。
7 月，能源部向一个由刘易斯领导的、由多个实验室的科学家组成的团队授予了五年内 1.22 亿美元的资金，用于开发太阳能燃料技术，这是该机构的三个新能源研究优先事项之一。能源部首席科学顾问史蒂文·E·库宁表示，太阳能燃料“将解决能源安全和碳排放这两大难题”。库宁认为，太阳能转化为燃料的计划面临“巨大的”实际障碍，但他表示，这项技术值得投资，因为“回报足够巨大”。
在光合作用中，绿色树叶利用阳光中的能量重新排列水和二氧化碳的化学键，以糖的形式生产和储存燃料。“我们想制造出尽可能接近树叶的东西，”刘易斯说，这意味着设备的工作原理要尽可能简单，尽管产生的化学输出不同。刘易斯正在设计的人工树叶需要两个主要元素：一个将太阳能（光子）转化为电能（电子）的收集器，以及一个利用电子能量将水分解成氧气和氢气的电解器。添加催化剂——一种化学物质或金属——以帮助实现分解。现有的光伏电池已经可以利用阳光发电，电解器也用于各种商业过程，因此诀窍是将两者结合成廉价、高效的太阳能薄膜。
为了演示这种结合的工作原理，已经开发出了笨重的原型。例如，日本汽车制造商本田公司的工程师制造了一个比冰箱还高的箱子，表面覆盖着光伏电池。箱子内部的电解器利用太阳能电力分解水分子。箱子将产生的氧气释放到周围空气中，并压缩和储存剩余的氢气，本田公司希望利用这些氢气为燃料电池汽车充电。
原则上，该方案可以解决全球变暖问题：只需要阳光和水就可以产生能量，副产品是氧气，而稍后在燃料电池中燃烧氢气产生的废气是水。问题在于，商用太阳能电池包含昂贵的硅晶体。而电解器中填充了贵金属铂，迄今为止，铂是催化水分解反应的最佳材料，但每盎司的价格高达 1,500 美元。
这意味着本田公司的太阳能制氢站永远无法为世界提供能源。刘易斯计算，为了满足全球能源需求，未来的太阳能燃料设备每平方英尺阳光收集表面的成本必须低于 1 美元，并且能够将 10% 的光能转化为化学燃料。我们需要从廉价材料制成的薄膜或地毯等根本性的、可大规模扩展的技术。正如刘易斯在加州理工学院的同事小哈里·A·阿特沃特所说，“我们需要考虑的是薯片，而不是硅芯片。”
寻找催化剂
尽管进行了数十年的断断续续的工作，但对这种技术的探索仍处于早期阶段。一项开创性的实验表明了原因。1998 年，科罗拉多州戈尔登市国家可再生能源实验室的约翰·特纳制造了一个火柴盒大小的装置，当将其放入水中并暴露在阳光下时，它以惊人的速度释放出氢气和氧气，效率是树叶的 12 倍。但特纳的发明依赖于稀有且昂贵的材料，包括铂作为催化剂。据估计，特纳的太阳能燃料电池每平方厘米的成本为 10,000 美元。这可能适用于军事或卫星应用，但不适用于为人类文明提供动力。
贵金属通常是最好的催化剂，但供应短缺。“这是这场游戏中的一大难题，”斯泰林说。“如果我们想拯救地球，我们就必须摆脱所有这些贵金属，转而使用铁、钴或锰等廉价矿物。”另一个困难是，水分解反应具有很强的腐蚀性。植物通过不断重建其光合作用机制来应对这种情况。特纳的太阳能燃料电池仅持续了 20 个小时。
如今，特纳的研究致力于设计一代又一代的催化剂，每一代都比上一代更便宜，以及一代又一代的太阳能收集器，每一代都比上一代寿命更长。有时，这种寻找过程令人痛苦地带有碰运气的性质。“我正在森林中漫步，寻找一种能够实现我想要的材料，”特纳说。“进展甚微。”
其他团队也在追逐催化剂，包括由麻省理工学院的丹尼尔·G·诺塞拉领导的团队。2008 年，诺塞拉和一位同事偶然发现了一种廉价的磷酸盐和钴的组合，可以催化氧气的产生——这是水分解反应的必要组成部分之一。
尽管原型装置只是难题的一部分——研究人员没有找到更好的催化剂来制造氢气（真正的燃料）——但麻省理工学院仍将其吹捧为“迈向‘人工光合作用’的重大飞跃”。诺塞拉开始预测，美国人很快将使用价格实惠的后院设备为他们的汽车烹制氢气。这些大胆的说法并没有得到一些太阳能燃料专家的认可，他们坚持认为，研究还需要几十年才能完成。其他人则更加乐观：能源部和风险投资公司北极星风险投资公司正在支持诺塞拉在剑桥市创立的公司 Sun Catalytix 进行的持续研究。
与此同时，在加州理工学院，刘易斯一直在研究一种比传统的晶体硅太阳能电池便宜得多的收集和转换太阳光子的方法——任何太阳能燃料设备的第一步。他设计并制造了一种由嵌入透明塑料薄膜中的硅纳米线制成的收集器，当放大尺寸后，可以像毯子一样“卷起和展开”，他说。他的纳米线可以将光能转化为电能，效率为 7%。与效率高达 20% 的商用太阳能电池相比，这相形见绌。但如果这种材料能够以足够低的成本制造出来——那些像新闻纸一样从印刷机上下线的薄片——较低的效率是可以接受的。
研究人员还在争论氢气是否是太阳能燃料的最佳选择。与生产液体生物燃料的生物有机体合作的团队表示，这些燃料比氢气更容易储存和运输。但氢气也很灵活：它可以用于燃料电池汽车，在发电厂中燃烧以发电，甚至可以作为生产合成柴油的原料。然而，“关键是制造一种能量密集的化学燃料”，并尽可能减少碳排放，刘易斯说。“我们不要纠结于哪一种。”
真实的树叶证明，仅使用常见元素就可以将阳光转化为燃料。人类能否模仿这一过程来拯救地球免受全球变暖的影响？前景尚不明朗。“我们无法使用现成的组件来解决这个问题，这正是现在从事这个领域令人兴奋的原因，”刘易斯说。但他担心，社会——包括政策制定者、政府资助机构甚至科学家——仍然没有掌握能源问题的严重程度，也没有理解为什么需要革命性的解决方案。这就是为什么他花费如此多的时间在巡回演讲中，宣传太阳能救赎：“我们还没有像对待一个我们输不起的问题那样对待这个问题。”