七年来，美国政府一直通过能源高级研究计划署 (ARPA-E) 寻找能源奇迹。然而，在同一时间跨度内，最大的进步是广为人知的各种可再生能源技术的快速部署，以及成本的迅速下降。
但是比尔及梅琳达·盖茨基金会联合创始人、微软前创始人比尔·盖茨表示，这还不足以真正彻底改变能源供应并显著减少碳排放。
因此，这位世界首富正在用实际行动证明，他正从其他亿万富翁那里筹集资金，作为2015年成立的突破能源联盟的一部分。他们的目的是将资金投入到一些超前的能源理念中，例如将空气和阳光转化为高能量密度燃料、使用风筝从高空风中获取能量，或者设计一种不会熔毁的核反应堆。
关于支持科学新闻
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道 订阅。通过购买订阅，您将帮助确保未来继续推出关于塑造我们当今世界的发现和想法的具有影响力的报道。
他们的资金并非完全出于利他主义。毕竟，如果这笔钱能够足够耐心，那么更换和扩展世界能源基础设施可能意味着万亿美元的回报。“突破能源联盟”与一项名为“创新使命”的国际努力相结合，旨在成为那种耐心资本，至少价值200亿美元。
《大众科学》在纽约市采访了盖茨，讨论他对未来能源的愿景。
[以下是采访的编辑稿。]
您所说的“能源奇迹”是什么意思？
人们对这个词的定义可能比我更强烈。我的意思是，我认为芯片上的计算机是一个奇迹。互联网是一个奇迹。手机是一个奇迹。重大的科学进步——出乎意料的、影响广泛的——正在到来，而且速度比以往任何时候都更快。如果我们能获得比碳氢化合物明显更便宜、完全清洁并提供相同可靠性的[能源]，我就会认为那是一个奇迹。
我预测在未来15年内，我们很有可能实现这一目标。当你有大约十几个[技术]路径时——至少在我看来，所有这些路径都独立地有超过20%的成功机会——如果你加大研发投入，如果你在需求方面做一些事情，并包括[政府]所做的伟大事情，比如生产税收抵免、投资税收抵免、可再生能源组合标准，仅在美国就有数百亿美元的投入，那么你就会大大提高获得非常积极惊喜的几率。
我们已经听说过您在核裂变方面的努力，但您也谈到了太阳能燃料，以及我们在《大众科学》中称之为逆向燃烧——将二氧化碳2变回燃料，就像植物所做的那样。为什么这个方案如此突出？它的能量效率似乎不是很高。
大自然表明这是可以做到的。我特别喜欢这个方案的原因——一部分是因为我欣赏加州理工学院研究这个领域的内特·刘易斯教授——他向我展示，他们已经接近100倍的因子，这是一个非常漫长的距离，但他们可以制造出极少量的[能量]。这并不能保证他们能成功，但如果你想要一个应该获得比今天多两倍或三倍研发投入的例子，我会说就是它。不仅仅是一个实验室，而是几个实验室采取可能略有不同且具有竞争性的方法。
它的优点在于液态碳氢化合物，比如汽油，真的是一种神奇的能量载体。你把它放在一个钢罐里。它可以随意存放很长时间。它的[能量]密度仍然比我们能制造的最好的电池高一个数量级。这太不可思议了。
天然气不像液态物质那样容易储存，但我们可以很好地储存它，无论是液态还是气态。天然气[发电厂用于电力需求高峰期]，如果没有碳[排放]限制，它们实际上是非常神奇的。
这些东西真的非常非常便宜。只有当压缩空气或液流电池非常非常成功时，它们才能达到那个数量级，那个超级、超级高能量的水平。大多数电池技术在电网中发挥作用方面存在困难，这与在消费者运输中的作用不同，在消费者运输中，再提高两到三倍的性能可能就能使你进入主流产品行列。
能源奇迹难道不是已经在水力压裂革命中发生了吗？如果我们只是将二氧化碳2捕获并储存——CCS——在地下，或任何大气层以外的地方，那我们就完成任务了吗？
嗯，碳捕获和储存很难做到。关于碳捕获和储存，你永远不能说它会使能源比今天更便宜。记住，我最初进入能源问题领域，主要不是气候问题，尽管我认为气候问题非常重要，但我首先想到的是让能源更便宜。因为当我说我想要更多的非洲肥料，我想要更多的夜间照明，我想要疫苗在非洲保持低温——这一切都与能源价格有关。
人们说：“哦，缺水了。”另一种说法是能源太贵了，因为在任何地方将我们称之为海洋的东西转化为清洁水，都只是支付海水淡化和抽水的费用。所以在某种意义上，并不存在缺水问题。只是在一定的能源价格下，水价意味着在中东、中国北方发展农业是不经济的。
所以，是的，水力压裂是一项了不起的技术。它是政府研发、创业精神以及数字革命的某种结合——当然，数字革命在所有这些方面都发挥着很好的作用。那种获取地震数据或磁力计数据，所有这些不同数据的能力，并创建对各种地质层的理解，从而说：“好吧，我认为这个矿藏可能延伸到那里”，并控制所有事情都非常精确。信息技术部分永远不应被低估。人们有点认为这是理所当然的。但石油工业过去没有大数据的魔力，现在他们有了，而且让你输入所有这些东西的传感器也变得非常好了。
对于碳捕获和储存，我绝对认为我们应该追求它。为了保证它留在地下——可能只有政府实体才能承担起这种跨世纪的责任，即他们将长期存在并确保其质量——因此你必须有正确的法规。你必须找到合适的地质结构，然后你必须了解碳捕获和储存的资本和能源成本是多少。应该有人做过一个大型碳捕获和储存项目，无论是针对煤炭的高回收率，还是针对天然气的高回收率。
由于碳捕获和储存很昂贵，我们能期望所有国家都尝试使用它吗？
目前尚不清楚你将如何对待印度。印度在未来40年内将成为一个足够大的能源消耗国，你不能给他们开绿灯。撒哈拉以南非洲地区，即使在最坏的情况下，未来40年也只会占全球温室气体排放量的4%，你可以给他们开绿灯，说：“嘿，你们可以用任何方式获取能源，无论是天然气、煤炭、汽油，随便你们用什么……。嘿，你们的占比很小，而且人均排放量基本上为零，”——暂且不考虑土地利用和牲畜，这是一个复杂的领域。即使那样，如果他们全力推进当前的煤炭计划，也要到本世纪末才能达到我们的温室气体排放水平。
然后，也许可以从富裕国家排放到空气中的二氧化碳中捕获一些二氧化碳，但我们不应该认为这种做法会变得经济。有些人，包括我资助的一些人，正在研究这个问题。但每吨回收的成本在100美元以上，你需要降到可能在20到30美元的范围内，才能开始说：“好吧，让我们把它乘以360亿[公吨的二氧化碳年排放量]，然后开始考虑我们是否应该这样做。”
对我来说，印度具有某种示范意义，因为他们在女性不呼吸烟雾和人们能够获得肥料方面有这种迫切的需求。给他们我们认为理所当然的东西的必要性在于，他们可能会过上能源密集度高出五倍的生活，但这仍然会使他们低于美国的三分之一，甚至略低于欧洲的水平。他们应该使用更多的能源。
现在你可以加个脚注说，“好吧，贫穷国家仍然被允许排放。”然而，在大多数情况下，当我们谈论能源时，我们指的是：家庭、工厂、办公室、交通运输。
汽车、煤炭和牛。
是的，还有工厂。我不知道你是否看过这本书，《睁大双眼看可持续材料》？
它只是介绍了钢铁、木材、塑料、纸张、铝，以及我们未来可能需要多少，以及哪些工艺改进可以降低能源强度。他们最终不得不说，“好吧，你必须开始重复使用东西。”这是一本很棒的书，因为它告诉你什么时候冰箱“过时”了；实际上是塑料部件变得脏乱丑陋，需要更换。金属部件没有任何疲劳。
基本上你是在说它可以重复使用。
这本书提出的关键点是，从能源角度来看，重复使用比回收利用更有益，因为在回收利用中，就金属而言，你要重新熔化它，所以你实际上使用了几乎同样多的能源——比如铝，只有一半——但也几乎一样多的能源。在数字世界中，能够标记一切——谁制造的，它有什么合金，什么时候制造的，甚至有一天在其中安装传感器，这将了解疲劳程度。这很重要。“睁大双眼”意味着你不能仅仅采用金属制造工艺并对其进行优化。你必须从社会材料的角度来看待整个设计并重复使用它，才能实现这些大幅度的减少。
除了逆向燃烧之外，还有什么让你对更高效、碳强度更低的能源生产抱有希望？还有哪些其他途径？
嗯，我在一家名为泰拉能源的公司投入了大量资金，但不是按百分比计算，该公司正在开发第四代核反应堆技术。它可能专门成为一种解决方案；这是一家非常伟大的公司，因为他们使用了计算机模拟。我们开发了一款软件，以今天的超级计算机来看，这应该不足为奇，我们坐在那里模拟[反应堆]材料的疲劳。我们可以向它投掷海啸。我们可以向它投掷里氏10级地震，火山。我们在这家公司尝试过的核电设计比人类历史上所有核电设计的总和还要多。
这款软件非常出色，我们做了所有这些测试以确保它是正确的。我们有来自美国最后一座快堆的材料，它们受到了一些中子轰击，但随后我们将这些材料放入另一个反应堆中，我们进行了额外的辐射，然后我们观察这些东西，看看晶体结构发生了什么变化。我们认为我们真的了解如何制造不会[退化]的钢。
对核能的批评一直是海曼·里科弗海军上将的评论，即最好的反应堆总是纸上谈兵的反应堆，我们可能会更新这句话，说更好的反应堆是计算机反应堆。当你将它们投入实际工作经验时，一切都会改变。你预计你将能够克服这些挑战——并且迅速克服吗？这似乎太慢了。
我们不想只指望泰拉能源。我们需要12条路径，每条路径五家公司。我们需要至少60家泰拉能源这样的公司。我会支持泰拉能源，因为他们的任务是基于物理学的固有安全性——无需人为干预，无需按钮，无需培训；卓越的经济性；减少废物超过10倍；强大的防扩散性——而且你不会耗尽铀。在纸面上，他们已经完成了他们的任务。
这个想法是，通过与中国的合作或其他国家，是否可以在一切顺利的情况下在2024年前建成试验工厂？然后在2030年前获得六年的运营经验，届时你可以对世界说：“嘿，想建多少就建多少。所有新的核电项目都应该是这种类型的，核电项目在新或替代能源中所占的比例应该非常高。”这是一种可能性，但我们必须建成试验工厂。我们必须获得批准。它必须运行得非常好。时间框架不能拖延太久。这是一个认真的参与者，而且从我可能带有偏见的角度来看，在核裂变领域，我没有看到很多其他参与者，你可以看着他们说：“好吧，如果你从纸上谈兵变成现实，那么这对廉价能源和全球变暖这个令人难以置信的问题来说，是一个有意义的贡献。”
我可以看到这在印度行得通，但似乎在许多非洲国家行不通，因为他们没有与泰拉能源反应堆配套的电网？
一直以来都有一种叫做舰载核能的东西。[基本上，就是一艘船上的核电站。] 现在我的信誉可能会下降，但海洋对于[应对核能的挑战，如安全或冷却]来说是非常神奇的。
但是像乍得这样的内陆国家怎么办呢？
你说得对。我们必须把那玩意儿空运到乍得湖；内陆国家总是很棘手。
但这不仅仅是内陆国家的问题，还有贫穷国家，甚至富裕国家。
我们现在正在进行的一个有趣的模拟是，你能在不使你的能源成本过高的情况下建立高压直流电网吗？如果你假设你有那个神奇的电网，并且如果你使你的能源来源多样化——比如加州的风能、华盛顿的风能，各种各样的东西都会在那个模型中胜出——你可以获得高达80%[来自可再生资源的电力]，我一直对此持怀疑态度，而且直觉上对我来说似乎不太正确，但模型非常清楚地表明了这一点。那么你就有了这20%的未解决问题——假设风能和太阳能的价格大幅下降，如果你能延长目前太阳能的学习曲线，那就会变得相当好。
有一件很酷的事情是，大约25%的时间里，你拥有的能量超过了你的需求。你需要一种新型的客户，叫做“我可以使用间歇性能源”的客户。你需要一个这样的客户群体，他们的资本成本非常低，而能源成本在他们的等式中非常非常高，这样他们就可以胜过那些获得24小时能源的工厂。
也许有人会创造出一些备用热解决方案或其他东西，但这会很有趣，因为你将有两种价格。你将有24小时能源的价格，然后你将有这种显著降低的专门价格，通过神奇的电网，你可以将其输送到几乎任何地理区域。肥料、钢铁、铝、制氢，任何你喜欢的东西，制造碳氢化合物、电燃料，你把价格降得足够低——谁知道会有什么样的突破。然后你可以做电燃料，[使用微生物或其他方法将电力转化为液体燃料]。
然后我们将这些出口到非洲，以解决他们的问题。
正是如此。你获得的能源可替代性越高，这些问题就越容易解决。在飞机飞行方面，液态碳氢化合物很难被超越。但这只占所有能源使用量的一小部分。它足够小，以至于一些生物燃料或电燃料类型的方法，或者一些昂贵的每吨自由空气捕获技术可以抵消这一部分。
土地利用和牲畜问题很棘手，而且在这方面的投入比你可能希望的要少。
听起来你是在说我们需要的能源奇迹是在部署方面。我们有很多选择。泰拉能源可能是一个选择。美国各地正在安装太阳能电池板。我们需要更多的电池。部署是我们正在寻找的奇迹吗？
不，不。只需计算一下我们在清洁能源的需求侧投入了多少——看看德国、日本、美国，并核算可再生能源组合标准和类似的东西。这很棘手。然后看看我们在供应侧增量投入了多少。当德国购买了一些位于世界上最奇怪的地方之一的太阳能时，他们是否增加了研发预算？他们最终得到了什么？在我看来，资金方面一直存在向需求侧倾斜的不平衡现象。我喜欢所有这些，当然你需要两者都做。
部署方面存在挑战，但高空风能不是部署方面的挑战。如果存在某种聚变路径，如果存在某种太阳能燃料路径……。内特·刘易斯的问题不是部署问题。他的问题是基础研究、材料理解。
暂且不谈能源——我们正处于理性地理解合金、理性地理解催化剂的边缘。当你谈论能源研发预算时，不仅仅是，“好吧，这只对能源类型的东西有用。”这真的是基础材料科学。我们为什么要不断地修理道路和桥梁？拜托，让我们创造一些东西来消除或至少减少这种持续的成本。