如何向自然界学习?人工光合作用为移民火星打

出品| 新浪科技《科学大家》、墨子沙龙

撰文| 杨培东 美国艺术与科学院院士、美国国家科学院院士,加州大学伯克利分校教授

二氧化碳+水+阳光=碳水化合物+氧气,碳水化合物是人类所需要的一些重要的化学品。从能量转化和存储的角度看,就是把太阳能转化成化学能,储存在化学品当中。

能源与环境危机威胁人类生存

为什么要把二氧化碳转化成有用的化学品?过去一百多年来,在人类工业化进程当中,人类利用了大量能源,而能源的主要来源是化石燃料。现在全人类在地球上的能量总消耗大约15太瓦,1太瓦是10的12次方瓦特,80%-90%都源于化石燃料。

在过去一百年当中,二氧化碳的浓度一直在上升,目前二氧化碳的浓度是410PPM(PPM是百万分率)。这个浓度从数量来说很小,但它对全人类的生存环境有重大影响。二氧化碳浓度在增加,涉及到全球暖化,海平面上升,环境污染、水污染、空气污染等一系列的问题,这意味着在接下来的几十年或者一百年当中,人类生存的环境将有重大转折。

现在科学界在全球暖化的问题上有两种预期。一个预期是,在本世纪末——也就是2100年的时候,全球气候温度的提高控制在2℃左右,那么到时陆家嘴还是陆家嘴。但如果还像过去一百年那样,大量利用化学能源,就会导致另外一个预期的情形——在2100年的时候全球平均温度提高4℃,海平面上升引起的洪水,会淹没一部分沿海城市,上海、纽约、旧金山、伦敦,都难以幸免。

可再生能源:从根本上解决全球变暖问题

怎样才能够从根本上改变全人类生存的能源结构呢?人类不可能永远依赖化石燃料,应该更注重可再生能源的利用。中国的经济发展非常迅速,所用的能量——电力一直在增加,接下来印度也会是这样,非洲也会是这样。所以全人类对能源的要求非常多,如果一直依赖于化石燃料,二氧化碳排放的问题只会越来越糟糕。从全社会角度来看,各个方面都必须要利用可再生能源。

可再生能源一般包括太阳能,风能,水能等。太阳能电池是生活中经常遇到的一种从太阳能到电能的转化。要在太瓦级(10的12次方瓦特)的层面上解决能源转化与存储问题是一个非常困难的事情。从长远角度来看,2016年中国能源架构大部分都是煤,煤的消费比重占了60%,剩下的是核能、水能、风能,太阳能消费比重仅是5%。虽然太阳能电池技术发明了有六七十年,但是它对整个能源工业界的渗透至今还是比较微小。到21世纪40年代,可以预见太阳能消费比重将加倍。在国家政策引导下,随着经济的发展,大规模利用水能、太阳能、风能将成为可能。这样可以在2040年把煤的比重降低到30%,剩下的由太阳能、风能和水能补充。所以要想从根本上解决全球变暖的问题,就要大规模利用这些可再生能源。

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