比爾·蓋茨的新預言：未來的汽車能源將依靠人工光合作用

編者注：人類對新能源的探索從未停止過。植物可以透過光合作用提供自身所需的能量，併產生氧氣。那麼人類是否也能從大自然中摘得一片「綠葉」，為自己製造能源呢？「預言家」比爾·蓋茨近期認為，人工光合作用具備光明前景，能為未來的汽車提供充足、清潔的能源。

本文編譯自 Futurism（http://t.cn/Rog37S6），原文標題「Bill Gates: Artificial Photosynthesis Can Produce Clean Fuel for the Cars of Tomorrow」。

人工光合作用

作為自然界中的一項重要過程，光合作用不僅養活了植物本身，還養活了地球上的其他生物，包括人類。植物把二氧化碳和水轉化成碳水化合物和氧氣，其中碳水化合物供植物消耗，釋放的氧氣則是人類和其他動物生存的前提。

植物複雜化學過程中的重要一步就是將水拆分為氫和氧，如果跳出植物的視角，我們能否自己利用Sunny來生產可供燃燒的氫氣呢？這是人工光合作用（Artificial Photosynthesis）的核心問題。「如果可行的話，這將是一件神奇的事，」比爾·蓋茨在接受路透社的採訪時說道，「因為液態氫不像電池那樣存在間歇性故障，你可以把液體氫裝在燃料罐裡，隨時需要隨時燃燒。」

人工光合作用的目的是利用Sunny將海水、河水分解成氫氣、氧氣、碳成分。其中，氫氣是電動汽車絕佳的燃料，也能用來儲存太陽能。和電池相比，像氫氣這樣的液體燃料有著獨特優勢——重量輕、體積小。

人工光合作用簡圖如下。頂部薄膜可吸收Sunny、二氧化碳和水，同時允許氧氣釋放；內部薄膜的特定分子可幫助催化反應並生成燃料；底層將燃料轉移儲存。

將人工光合作用的產物按一定比例混合後還能得到甲醇，甲醇因為各種優勢而被當作內燃機的燃料。目前中國是世界上最大的甲醇消耗國，一些地區的加油站為私家車提供的是混合了 15% 或更少甲醇的汽油，而運輸車輛使用的汽油中甲醇的比例可高達 85%。

當然，氫氣並不是最理想的燃料，因為世界上絕大部分的基礎設施都是針對更高密度的能耗供應來建造的，比如汽油和天然氣。清潔制氫的最直接收益大概就是有助於氨肥的可持續生產。所以，人們可能更傾向於把氫氣當作一種輔助性材料。斯坦福大學教授 Jens Norskov 說：「我覺得氫氣可以作為一種提升其他技術的手段。」

人工光合作用還能和固氮細菌「聯姻」。前者產生的氫氣能幫助固氮細菌在土壤中合成氮肥料。這一技術能在不使用傳統化肥的情況下能大大提高農作物產量。除此之外，這些細菌還能將人工光合作用產生的氫氣變成一系列的「寶貝」：藥物、肥料、燃料、塑膠，這些都由細菌體內的新陳代謝決定。

挑戰與希望並存

人工光合作用面臨的主要挑戰是，如何提高轉化效率。自然狀態下的光合作用效率很低，植物只將約 1% 的二氧化碳和水轉化成了碳水化合物。實驗室的轉化效率能達到 10%，而澳洲的莫納什大學（Monash University）的研究人員將轉化效率提升到了 22%。但要滿足未來對氫能源的需求，目前的水平還不夠。

一向看好新能源的比爾·蓋茨格外關注人工光合作用。2015 年，他還和多位全球商界名人聯合成立了一個旨在全球範圍內開發清潔能源的機構——突破能源聯盟 (Breakthrough Energy Coalition)。該機構將著力於在 5 個關鍵領域發展清潔能源：發電、儲藏、交通、工業、農業，主要宗旨是讓能源體系變得更有效。馬雲、馬克·扎克伯格、貝佐斯等都是該基金會的投資人。

比爾·蓋茨把新形式的能源發展視作重中之重，並希望打亂現有的能源機構，刺激更多的新發現，為能源發展做出有意義的改變。

混合動力、純電動、氫燃料、太陽能，是大家普遍知曉的幾種新能源汽車的動力型別，不過，奧迪一組最新研發車型Mesarthim F-Tron Quattro的外觀造型圖正在網上流出，這是一款核動力汽車，和其他動力不同的是，加一次燃料可以使用一年。奧迪另闢蹊徑在新能源汽車方面的探索和研究，奧迪也是不遺餘力。到2015年，奧迪旗下四分之一的車型將為純電動汽車，並且奧迪將會在未來的每一年都帶來一款插電式混合動力車，如今又玩起了核動力汽車。目前奧迪暫時沒有給出這款車具體推出時間表，不過人們對於新鮮事物還是很感興趣的，尤其像這種黑科技。超長續航里程，超乎你的想象。雖然奧迪沒有透露這輛車的續航里程方面的相關訊息，但是經過對核動力在其他方面的應用，可以揭開這個謎底。

從以上驚人的資料中，可以想象到核能運用在汽車上的爆發性。有了核動力汽車之後，一年就只需加一次左右的核燃料！！！

汽車的能源現在可以分為三大類：燃油，蓄電池，以及燃料電池。根據不同的能源以及不同的汽車結構，汽車又可以因此分為四大類：（傳統）燃油車，混合動力汽車，純電動汽車和燃料電池汽車。雖然有人會認為燃料電池汽車是純電動汽車的一個子類，這種說法是有道理的，但是從能源的來源來看，由於純電動汽車是車在動力電池進行供電，燃料電池汽車是發生化學反應提供電能，所以將純電動汽車和燃料電池汽車進行區分是有必要的。

我們來仔細看一下汽車的能源，第一類是燃油。燃油發生燃燒反應，透過四衝程運動將動力從曲軸傳遞給車輪，燃油作為汽車能源已經發展了一百多年，技術成熟，但是囿於能源稀缺以及造成的環境汙染，在最近各個國家已經相繼公佈了燃油車退出市場的最後期限。

第二類是蓄電池。由於根據蓄電池是否和燃油組合使用可以將汽車分為多類，所以有必要首先透過車型的區分，因此來對蓄電池的功能加以研究。當車載動力能源僅僅來自蓄電池時，這種結構的汽車稱為純電動汽車，蓄電池供電驅動三相交流電機旋轉，以此提供動力。除了由於純電動汽車的不消耗化石能源的特點可以緩解能源稀缺以及環境汙染問題，本身在駕駛上也有令人耳目一新的舒適性，行車安靜，無抖動感，還能爆發很強的加速效能，所以純電動車是現在以及未來的一種趨勢。（圖為榮威E50）

當車載動力能源來自蓄電池和燃油時，這種結構的汽車稱為混合動力汽車，根據兩種能源在車輛總能源的佔比，可以分為輕混，中混，重混汽車，當然了，這三種混合動力汽車較少，在中國被劃歸為“節能汽車”類下，享受的補貼待遇較低。在中國較多的混合動力汽車是插電式混合動力，與傳統混合動力汽車的不同點可以從名稱上直觀的看出來：插電式混合動力汽車可以充電。這能夠解決日常通勤以及較長距離的出行需求，因此在中國享受和純電動汽車一樣的補貼待遇。

第三類是燃料電池。燃料電池包括氫能源燃料電池，甲烷燃料電池等，由於氫燃料電池技術的成熟性和廣泛應用性，燃料電池汽車裡氫燃料電池是一家獨大的地位。氫燃料電池的原理是儲氫罐中的氫氣和空氣中的氧氣發生化學反應，提供電能，生成無汙染的水，所以氫燃料電池是最環保的汽車能源。

當然了由於核能在發電領域的廣泛應用性，也有人會思考，核電是否會成為現代交通工具的能源呢？從現在技術的角度看，由於核電裝置大，難以加入現有的能源使用結構；而且潛藏著核洩漏的危險，所以核電成為交通工具的能源的可能性較小。當然從技術上，沒有人知道明天是什麼樣子，核電是否能在未來應用於交通工具，是不乏其可能的，我們應該持續關注，拭目以待。

從汽車能源的角度來看，汽車的生命力是頑強堅韌的，儘管現在正在進入燃油車的寒冬，傳統的動力驅動系統正準備接受前所未有的變革，但是新能源汽車正在接過汽車動力的大旗，繼續滿足人們的越來越高的出行需求，成為下一個汽車時代的領航者。

你還別說，將核能用在汽車上這個想法在上個世紀就有車企想幹了。當時正處於50年代末期，核能剛剛被開發沒多久，雖然距離二戰原子彈爆炸沒多久，但當時的人們仍然相信核能是永不枯竭且又安全的能量源，重要的是當時的科學家也相信攜帶核反應堆的原子動力汽車將是一種理想的交通工具。所以在這種思潮下，就率先誕生了以核能為驅動力的概念車，也就是-福特核子。

這是福特在1958年推出的概念車產品，注意到福特核子車身後半部分了嗎？那可不是放備胎的地方，這裡是設計中容納核反應堆的位置，“福特核子”的設定可在不補充燃料情況下行駛5000英里（約合8046公里）。不過這個想法實在太瘋狂了，沒人會願意坐在核反應堆面前兜風，而且這樣的一次汽車事故便可能毀掉一座城市。

不過，好在當時福特汽車對這款概念車的研發還只是進行到模型以及驗證階段，受制於當時的技術，這款車型的出現還只是當時的人們對未來汽車形式的一種暢想。而且當時的研究小組還預言，未來的類似於福特核子這種核動力汽車出現之後，其應該會搭載一具小型核能反應器，而提供動力的核燃料棒大概要到8000公里才需要更換一次。

很顯然，在當時這種想法有些想當然了，即便以目前的技術來看，核燃料在今天尚且也是一種危險的事情，把核反應堆小型化放置在汽車上，可能沒人會願意坐在上面兜風。

1、新能源汽車有哪些型別?

新能源汽車主要包括燃料電池電動汽車(FCEV)、混合動力汽車、氫能源動力汽車、純電動汽車(BEV，包括太陽能汽車)、其他新能源(如高效儲能器、二甲醚)汽車各型別產品。

是以氫氣、甲醇等為燃料，透過化學反應產生電流，依靠電機驅動的汽車。其電池的能量是透過氫氣和氧氣的化學作用，而不是經過燃燒，直接變成電能的。

是指採用傳統燃料，同時配以電動機或發動機來改善低速動力輸出和燃油消耗的車型。混合動力汽車按照燃料種類的不同，又可以分為汽油混合動力汽車和柴油混合動力汽車兩種。目前在國內，混合動力車輛的主流都是汽油混合動力為主，而國際上柴油混合動力車型的發展也比較快速。

就是以氫氣為汽車燃料的汽車。氫能源動力汽車是一種能真正實現零排放的交通工具，排放出的是純淨水，具有無汙染，零排放，儲量豐富等優勢，因此，氫動力汽車是傳統汽車最理想的替代方案。不過，氫燃料電池成本過高，而且氫燃料的儲存和運輸按照目前的技術條件來說相對有點困難。

主要是採用電力驅動的汽車，目前，大部分車型是直接採用電機驅動的，有一部分車輛則把電動機裝在發動機艙內，也有一部分直接以車輪作為四臺電動機的轉子，而其難點在於電力儲存技術。

包括壓縮天然氣、液化石油氣、液化天然氣和乙醇等作為燃料的汽車。目前，許多國家和地區在這方面的新能源汽車已經有了較大的推廣，這也將成為未來世界汽車產業發展的趨勢。

核能源能否用於交通工具上？

汽車上好像沒有聽說過，不過核動力飛機倒是真的有過 ，1955-1957年美蘇冷戰的時候都有過開發核動力轟炸機的計劃，美國試飛了用B-36轟炸機改裝的原型機NB-36H 美國的這是把小型的核動力反應堆放進轟炸機， 實際上轟炸機還是靠飛機自身的發動機在飛， 在進行了幾次試驗之後發現核輻射和堆芯溫度過高而放棄了蘇聯試飛了一架由圖-95改裝的原型機，這個是真真正正的核動力飛機， 不僅有核反應堆， 而且這個核反應堆還驅動著四臺發動機進行了很多次試驗， 不過碰到了和美國一樣的問題，後來因為洲際導彈的出現， 這種超遠航程超長巡航時間的轟炸機存在顯得有點多餘， 雙方都放棄了開發，其實把核反應堆放在汽車或者飛機上最大的問題不是核反應堆本身， 而是防核輻射和冷卻系統太重了， 現在防輻射的手段基本上就只有靠重金屬（鉛）進行隔離， 反應堆的冷卻一般也是靠水 ，所以一般核電站都站在海邊就是為了在緊急情況下可以用海水來冷卻，安裝的反應堆本身只有2噸左右的重量， 但是冷卻系統和防護系統總重量接近20噸， 對於航母和潛艇這種幾萬噸排水量的東西當然這點重量就是毛毛雨， 但是對於汽車或者飛機來說顯然是太重了， 而且就算如此也還是存在輻射超標和堆心溫度過高的問題 ，當然還有安全問題 ，你開著核動力的汽車和飛機可千萬別出事故啊， 每起交通事故都有把整個城市變成切爾諾貝利的風險。

核能確實可以用於電動汽車，但不是使用核反應堆，核反應堆產生的中子和γ射線，需要的遮蔽層很厚（約一米），對於汽車來說是太大了。但如果使用既沒有中子、又沒有γ射線的“核能”來驅動電動汽車，而且可以在一年半換一次“燃料”，應該在不遠的將來可以做到。