智能電網(wǎng)成為最有可能幫助拯救地球的10項(xiàng)技術(shù)之一

亞馬遜森林大火、加速消逝的北極冰面、有記錄以來(lái)最熱的7月、越來(lái)越多的極端天氣事件……各種因素正在讓地球、讓我們的生存環(huán)境經(jīng)受日趨嚴(yán)重的考驗(yàn)。

大問(wèn)題往往意味著大機(jī)會(huì)。在人類對(duì)環(huán)境制造麻煩的過(guò)程中，勢(shì)必又不斷催生出各種新技術(shù)，用于修復(fù)曾對(duì)環(huán)境造成的傷害。

從人工智能到核聚變，從碳捕捉到智能電網(wǎng)，從人造肉到石墨烯……這些新的技術(shù)能否幫助我們?cè)谡＋@取資源、能源的同時(shí)，減少對(duì)環(huán)境的傷害，并推動(dòng)一個(gè)可持續(xù)發(fā)展的未來(lái)？

1．人工智能

就像人工智能可以幫助我們檢測(cè)、診斷、治療人類疾病一樣，人工智能也能夠幫助我們監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)、識(shí)別環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，并推進(jìn)環(huán)境保護(hù)。

目前，人工智能已經(jīng)在環(huán)保領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，例如

在一項(xiàng)為期三年的印度尼西亞珊瑚礁研究項(xiàng)目中，攝影師拍攝了近60000張水下圖片。要識(shí)別和分析一張照片，一個(gè)珊瑚礁科學(xué)家要花10到15分鐘，而通過(guò)人工智能的快速分析，現(xiàn)在只需要幾秒鐘。

微軟目前正在推進(jìn)人工智能地球計(jì)劃（AI for Earth）項(xiàng)目，該項(xiàng)目已經(jīng)向那些將人工智能技術(shù)應(yīng)用于環(huán)境保護(hù)的團(tuán)隊(duì)提供了200多項(xiàng)研究資助，這些研究涉及生物多樣性、氣候、水和農(nóng)業(yè)四個(gè)領(lǐng)域。

人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)算法還被用于冰面分析，以測(cè)量隨著時(shí)間的推移而發(fā)生的變化；用于幫助研究人員以精確的布局種植新的森林，并最大限度地吸收碳排放；用于建設(shè)預(yù)警系統(tǒng)，以阻止破壞性的藻華的蔓延。

人工智能正在對(duì)農(nóng)業(yè)實(shí)踐產(chǎn)生影響，并將很快改變工業(yè)化國(guó)家的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，減少我們對(duì)農(nóng)藥的依賴，并大幅降低水的消耗；人工智能將使自動(dòng)駕駛汽車更有效地導(dǎo)航，減少空氣污染；材料科學(xué)家正在部署人工智能技術(shù)，開發(fā)可生物降解的塑料替代品，并制定清潔海洋的戰(zhàn)略。

2．核聚變

我們的太陽(yáng)是由氫原子核聚變產(chǎn)生氦來(lái)驅(qū)動(dòng)的。幾十年來(lái)，科學(xué)家們一直致力于利用同樣的方法來(lái)創(chuàng)造可持續(xù)的陸地能源。從生態(tài)學(xué)的角度來(lái)看，這項(xiàng)努力非常具有說(shuō)服力，因?yàn)樗砹艘环N零碳排放的能源形式。與核裂變不同，核聚變不會(huì)產(chǎn)生長(zhǎng)時(shí)間的放射性核廢料。

問(wèn)題在于熱量。當(dāng)兩個(gè)粒子融合時(shí)，要產(chǎn)生凈正能量，反應(yīng)必須在數(shù)百萬(wàn)攝氏度下進(jìn)行，這意味著你用來(lái)融合的任何容器都會(huì)熔化。答案是在漂浮的等離子體中暫停反應(yīng)，這樣極端的熱量就不會(huì)接觸到腔室，研究人員認(rèn)為這一過(guò)程可以通過(guò)使用高功率磁鐵來(lái)實(shí)現(xiàn)。

大量報(bào)道認(rèn)為，人類要用上核聚變能源，還需要30年時(shí)間，但麻省理工學(xué)院的一個(gè)研究小組表示，通過(guò)使用新型超導(dǎo)材料生產(chǎn)聚變反應(yīng)堆中的超強(qiáng)磁鐵，可以在短短15年內(nèi)將核聚變動(dòng)力送入電網(wǎng)。該項(xiàng)目由麻省理工學(xué)院和一家私人企業(yè)CFS（Commonwealth Fusion Systems）合作開發(fā)，獲得了意大利能源巨頭埃尼（Eni）的5000萬(wàn)美元投資。

中國(guó)在核聚變研究領(lǐng)域也已經(jīng)處于世界前沿

2018年，我國(guó)大科學(xué)裝置“人造太陽(yáng)”實(shí)現(xiàn)等離子體中心電子溫度首次達(dá)到1億度，獲得的多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)參數(shù)接近未來(lái)聚變堆穩(wěn)態(tài)運(yùn)行模式所需要的物理?xiàng)l件，朝著未來(lái)聚變堆實(shí)驗(yàn)運(yùn)行邁出了關(guān)鍵一步。

2019年6月，我國(guó)新一代可控核聚變研究裝置“中國(guó)環(huán)流器二號(hào)M”的全面工程安裝拉開序幕。這一裝置采用了更先進(jìn)的結(jié)構(gòu)與控制方式，等離子體溫度將有望超過(guò)2億攝氏度。

此外，據(jù)最新消息，中科院核能安全技術(shù)研究所鳳麟團(tuán)隊(duì)研發(fā)的具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的中子輸運(yùn)設(shè)計(jì)與安全評(píng)價(jià)軟件系統(tǒng)SuperMC“超級(jí)蒙卡”通過(guò)歐洲核聚變示范堆的適用性測(cè)評(píng)。該軟件被推薦作為歐洲聚變聯(lián)盟（EUROfusion）核聚變示范堆的核設(shè)計(jì)軟件。

3．碳捕捉

空氣中太多的二氧化碳太多正在讓地球變暖。如果我們能捕捉并隔離碳排放，對(duì)地球的生態(tài)環(huán)境保護(hù)將帶來(lái)怎樣的作用？

碳捕捉與儲(chǔ)存（Carbon Capture and Storage，CCS）作為一種新興技術(shù)，在未來(lái)幾十年里將對(duì)環(huán)境保護(hù)發(fā)揮重要作用。根據(jù)CCS協(xié)會(huì)的界定，捕捉技術(shù)可以通過(guò)以下三種方法之一來(lái)分離發(fā)電和工業(yè)過(guò)程中產(chǎn)生的氣體中的二氧化碳燃燒前捕捉、燃燒后捕捉和富氧燃料捕捉。隨后，被捕捉的碳通過(guò)管道輸送并儲(chǔ)存在地下很深的巖層中。

2017年，世界上第一座碳捕捉工廠在瑞士投產(chǎn)，Climeworks AG成為有史以來(lái)第一個(gè)以工業(yè)規(guī)模從空氣中捕捉二氧化碳并直接出售給買主的工廠。該工廠將捕捉的二氧化碳通過(guò)地下管道傳送到溫室，并將這些氣體用于幫助蔬菜的生長(zhǎng)。該公司希望在未來(lái)十年內(nèi)大幅擴(kuò)展其技術(shù)，還發(fā)出了豪言到2025年，要捕捉全球1％的年二氧化碳排放量。

此外，在美國(guó)和加拿大，也有一部分創(chuàng)業(yè)公司正在開發(fā)碳捕捉工廠。例如，加拿大創(chuàng)業(yè)公司Carbon Engineering致力于開發(fā)直接從空氣中捕捉碳的技術(shù)，新近于2019年3月獲得6800萬(wàn)美元融資，投資者陣容龐大，包括微軟聯(lián)合創(chuàng)始人比爾·蓋茨、雪佛龍科技風(fēng)險(xiǎn)投資公司等。這也是該領(lǐng)域創(chuàng)業(yè)公司目前獲得的最大一筆創(chuàng)業(yè)投資。

4．智能電網(wǎng)

可以說(shuō)，當(dāng)前的電網(wǎng)的運(yùn)作方式仍然繼承了19世紀(jì)和20世紀(jì)那些老舊的模式和問(wèn)題電力生產(chǎn)高度集中，逐步分發(fā)到下游，并最終到達(dá)終端用戶。問(wèn)題是這些電網(wǎng)對(duì)使用和輸出的波動(dòng)非常敏感。為了使其可靠地工作，往往需要生產(chǎn)過(guò)剩的能源。此外，這種電力分發(fā)系統(tǒng)容易受到攻擊，而且往往依賴于排放污染的能源。

目前，許多國(guó)家已經(jīng)在大力推進(jìn)智能電網(wǎng)建設(shè)。智能電網(wǎng)與其說(shuō)是某項(xiàng)單一的技術(shù)，不如說(shuō)是眾多能源、配電、網(wǎng)絡(luò)、自動(dòng)化和傳感技術(shù)的集成部署，是應(yīng)對(duì)21世紀(jì)能源供需矛盾的一次變革。

通過(guò)采用智能電網(wǎng)技術(shù)，電網(wǎng)將迎來(lái)全新改變本地的能源生產(chǎn)將對(duì)接到家庭水平，而家庭水平的電力可以反饋到電網(wǎng)上游；傳感技術(shù)和更精確的預(yù)測(cè)模型將對(duì)能源生產(chǎn)進(jìn)行微調(diào)，以避免生產(chǎn)過(guò)剩；而更好的電池技術(shù)將使可再生能源得以實(shí)時(shí)儲(chǔ)存；隨著家用電器變得越來(lái)越智能，電網(wǎng)可能會(huì)開始自動(dòng)發(fā)出信號(hào)，要求其關(guān)閉以節(jié)省電力。

總體而言，智能電網(wǎng)將帶來(lái)電力基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)作方式的巨大變化。根據(jù)電力研究所（Electric Power Research Institute）的一項(xiàng)研究，到2030年，智能電網(wǎng)技術(shù)可能幫助我們將碳排放量比10年前減少58％。

5．環(huán)境傳感器

要保護(hù)環(huán)境，首要的是對(duì)環(huán)境變化能夠做到隨時(shí)心中有數(shù)。隨著傳感器、物聯(lián)網(wǎng)、邊緣計(jì)算等技術(shù)的發(fā)展，遍布各地的環(huán)境傳感器網(wǎng)絡(luò)將能夠?qū)Νh(huán)境變化進(jìn)行實(shí)時(shí)感知、數(shù)據(jù)提取和精確分析，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境變化更為精確的監(jiān)測(cè)。

現(xiàn)在，無(wú)數(shù)的網(wǎng)絡(luò)傳感器已經(jīng)被用于監(jiān)測(cè)空氣和水質(zhì)，識(shí)別污染物，跟蹤酸化，并捕捉對(duì)我們的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)福祉至關(guān)重要的現(xiàn)象的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；監(jiān)測(cè)建筑物能源和用水的局部傳感器網(wǎng)絡(luò)正在幫助我們減少浪費(fèi)；可穿戴的空氣質(zhì)量傳感器正在路上。所有這些傳感器的進(jìn)一步增長(zhǎng)和網(wǎng)絡(luò)化將極大地影響我們的生活方式，也將對(duì)智慧城市的建設(shè)與發(fā)展，以及更大范圍的環(huán)境保護(hù)帶來(lái)有效的推動(dòng)。

6．新型電池

能源是阻礙許多綠色技術(shù)發(fā)展的限制因素。例如，風(fēng)能和太陽(yáng)能能夠產(chǎn)生大量電力，但采用這些技術(shù)卻受到了一個(gè)不可能突破的限制條件有時(shí)沒(méi)有風(fēng)，也沒(méi)有陽(yáng)光。此外，雖然電動(dòng)汽車技術(shù)正在快速發(fā)展，但除非技術(shù)不斷進(jìn)步，成本不斷降低，基礎(chǔ)設(shè)施不斷升級(jí)，否則化石燃料仍將占據(jù)主導(dǎo)地位。

要解決這些問(wèn)題，亟需高效的能源存儲(chǔ)，包括新型電池技術(shù)的輔助。

據(jù)美國(guó)清潔空氣特別工作組（Clean Air Task Force）稱，美國(guó)加州要實(shí)現(xiàn)僅通過(guò)可再生能源100％供電的宏大目標(biāo)，就需要在能源儲(chǔ)存系統(tǒng)上投入高達(dá)3600億美元的資金。

眾多創(chuàng)業(yè)公司正在該領(lǐng)域進(jìn)行突破，例如儲(chǔ)能技術(shù)開發(fā)商Form Energy專注于研發(fā)制造能夠長(zhǎng)期大量存儲(chǔ)電能的硫基水系液流電池，并且為長(zhǎng)達(dá)幾個(gè)星期、幾個(gè)月甚至幾年的電力存儲(chǔ)找到解決方案。據(jù)稱，該項(xiàng)技術(shù)能夠使可再生能源實(shí)現(xiàn)全年完全穩(wěn)定和可調(diào)度的分配，并且可以擴(kuò)大傳輸容量而無(wú)需使用新電線。該公司目前已獲得意大利石油和天然氣巨頭埃尼集團(tuán)（Eni）等機(jī)構(gòu)的近5000萬(wàn)美元融資。

7．人造肉

近年來(lái)，越來(lái)越多人意識(shí)到工業(yè)化牲畜養(yǎng)殖與大規(guī)模屠宰對(duì)環(huán)境帶來(lái)的破壞。2017年，超過(guò)15000名世界科學(xué)家發(fā)出警告，呼吁大幅減少人均肉類消費(fèi)。

其最大的問(wèn)題在于土地使用。例如，每生產(chǎn)100克牛肉就需要164平方米的牧場(chǎng)，這是中美洲和南美洲森林砍伐的主要原因之一，并導(dǎo)致前所未有的碳排放。另?yè)?jù)聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織數(shù)據(jù)，牲畜排放的溫室氣體約占人為排放量的14．5％。此外，動(dòng)物也使用大量的淡水，而工業(yè)化畜牧業(yè)的污染徑流對(duì)當(dāng)?shù)厮Y源也造成了污染。

在這樣的背景下，人造肉應(yīng)運(yùn)而生。一些科技初創(chuàng)公司正在通過(guò)生物合成、基因編輯、細(xì)胞農(nóng)業(yè)等新技術(shù)，在提升食品行業(yè)效率的同時(shí)，大幅減少對(duì)環(huán)境的破壞。

以Beyond Meat、Impossible Foods為代表的植物肉生產(chǎn)商，以Mosa Meat、Memphis Meats為代表的實(shí)驗(yàn)室培植肉生產(chǎn)商，以BlueNalu、Finless Foods為代表的海鮮替代食品生產(chǎn)商都在這一新興行業(yè)發(fā)起沖擊。其中，Beyond Meat在今年5月的成功上市，更是掀起了人造肉創(chuàng)業(yè)與投資熱潮。

8．植物性塑料

塑料廢棄物對(duì)環(huán)境的巨大破壞顯而易見(jiàn)。為此，全球許多國(guó)家都已經(jīng)頒布禁塑令，以限制一次性塑料的使用。如何從技術(shù)角度去解決這一問(wèn)題，也越來(lái)越引起各大食品廠商、包裝廠商和眾多創(chuàng)業(yè)公司的關(guān)注。

可生物降解的植物性塑料是這些公司正在開發(fā)的一種可行的解決方案。因?yàn)槔碚撋?，它們可以取代許多已經(jīng)在流通的塑料產(chǎn)品。例如，印尼一家名為Avani Eco的公司從2014年開始用木薯生產(chǎn)生物塑料。

但是，值得注意的是，并非所有生物塑料都能生物降解，一些與生產(chǎn)技術(shù)有關(guān)的優(yōu)點(diǎn)也存在爭(zhēng)議。在未來(lái)，該行業(yè)如何不斷實(shí)現(xiàn)技術(shù)升級(jí)，以及推進(jìn)植物性塑料的大規(guī)模商用，將是一個(gè)長(zhǎng)期存在的問(wèn)題。

9．石墨烯

石墨烯材料源于2004年在曼徹斯特大學(xué)首次發(fā)現(xiàn)的超薄石墨層。石墨烯比鋼更堅(jiān)硬，比紙更薄，比銅更導(dǎo)電，是一種真正的神奇材料。

目前，石墨烯已經(jīng)成為熱門研究領(lǐng)域，以及引發(fā)無(wú)盡想象力的技術(shù)主題。許多人預(yù)測(cè)它將是繼青銅、鐵、鋼和硅之后的，下一個(gè)揭示我們物種文化和技術(shù)進(jìn)化的領(lǐng)域。

石墨烯只有一個(gè)原子厚，具有柔韌性、透明性和高導(dǎo)電性，因此適合于廣泛的環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域，例如水過(guò)濾、能夠以最小損耗遠(yuǎn)距離傳輸能量的超導(dǎo)體，以及光伏應(yīng)用等等。通過(guò)大大提高現(xiàn)有材料的效率，石墨烯可能被證明是我們實(shí)現(xiàn)綠色重生的基石。

10．太陽(yáng)能玻璃

如果摩天大樓的每個(gè)窗戶都能產(chǎn)生能量，對(duì)我們的能源利用效率將產(chǎn)生怎樣的改變？這就是太陽(yáng)能玻璃的前景。

太陽(yáng)能玻璃是一種新型透明窗材料，能捕捉太陽(yáng)的能量并將其轉(zhuǎn)化為電能。作為一項(xiàng)新興技術(shù)，它在建筑節(jié)能和可持續(xù)發(fā)展領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注。

對(duì)于太陽(yáng)能玻璃來(lái)說(shuō)，最大的技術(shù)障礙是能量轉(zhuǎn)化效率。目前，高性能太陽(yáng)能電池可以達(dá)到25％或更高的轉(zhuǎn)化效率，但太陽(yáng)能玻璃要保持透明度，就意味著犧牲光轉(zhuǎn)化為電的效率。

目前，美國(guó)密歇根大學(xué)的一個(gè)研究小組正在開發(fā)一種太陽(yáng)能玻璃產(chǎn)品，能夠讓50％的光通過(guò)，并實(shí)現(xiàn)15％的轉(zhuǎn)化效率。該小組發(fā)表的一項(xiàng)研究預(yù)測(cè)，有50億至70億平米的可用窗戶空間，足夠用太陽(yáng)能玻璃產(chǎn)品滿足美國(guó)40％的能源需求。目前，該項(xiàng)目已獲得美國(guó)能源部太陽(yáng)能技術(shù)辦公室的130萬(wàn)美元資助。

總體來(lái)看，上述技術(shù)中，有的已經(jīng)投入應(yīng)用，有的還處在研發(fā)階段，有的甚至還處于爭(zhēng)議和質(zhì)疑之中。但不管如何，人類在應(yīng)對(duì)氣候變化、環(huán)境危機(jī)的征途中，新技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用將不斷實(shí)現(xiàn)進(jìn)步。