其中美国桑迪亚国家实验室(Sandia National Laboratories)开展的一项尝试非常吸引人。他们在新墨西哥州的沙漠中安装了一些直径6米的圆盘状镜面,能将太阳光聚集到安放在盘面前方的一个半米长、形状像啤酒桶的圆柱形仪器上。太阳光被这些镜面聚焦后,从仪器表面的一个窗口射入,照射到里面12个以每分钟一圈的速度旋转的同轴圆环上。圆环的边缘是以齿状排列的氧化铁(铁锈)或氧化铈,它们依次旋转进光束,并被加热到1 500℃,如此高的温度能驱出铁锈里的氧。当转到反应室较冷的暗处时,它们又能从注入反应室里的水蒸气或二氧化碳中把氧吸回去,剩下富含能量的氢气和一氧化碳。
在其他地方,例如瑞士联邦理工学院(Swiss Federal Institute of Technology)和美国明尼苏达大学,研究人员也在研发生产合成气的设备。还有一些新兴公司同时在寻求其他途径来达到类似目标,例如位于马萨诸塞州的Sun Catalytix公司将一种廉价催化剂泡入水中,并利用太阳能电池板产生的电力,来制备氢和氧,新泽西州Liquid Light公司将二氧化碳气体导入一种电化学反应池来产生甲醇。此外,刘易斯本人也正在研制一种“人造树叶”(参见《环球科学》2010年第11期《人造树叶:阳光变燃料》),它由一种半导体纳米线制成,能利用阳光将水分解成氢和氧。
当然,主要困难还是在实际应用上。在桑迪亚实验室,齿状氧化物总是破裂,阻碍了反应进行。“你让(氧化物)材料在1 500℃和900℃之间来回转,这对它们的要求很高,”亚利桑那州立大学LightWorks计划主任、未参与该项研究的化学家加里·德克斯(Gary Dirks)评论说。下一步计划是,在纳米尺度上加固氧化物的结构,或找到更合适的材料;圆盘状镜面的高昂造价也需要降低。根据桑迪亚实验室研究人员的计划,他们的合成气制造机能够生产出成本为10美元/加仑(约2.65美元/升)的燃料。“我们并非做不到这一点,但我们还有很长的路要走。”化学工程师詹姆斯? E ? 米勒(James E. Miller)说,他也是这项技术的发明者之一。
据波—转子发动机的另一发明人,波兰华沙科技大学(Warsaw University of Technology)的副教授雅努什·皮埃切纳(Janusz Piechna)介绍说,从1906年起,工程师们就开始研究波—转子装置了,而且它们已经被用在了一些赛车的增压器里。但是,穆勒说,里面不稳定的气流非常难控制。要想预测这些间歇性气流极其复杂的非线性行为,需要进行精细的数值计算,这类计算一直都因为太过费时或不够精确而无法达到要求,该问题直到近几年才得以解决。目前,密歇根州立大学和其他一些研究机构正通过高仿真模拟,来辅助叶片几何形状的精密设计,以及精确到零点几秒的燃烧时间控制,期望得到最佳性能。
计算机模型能否最终变成在路上跑的实际产品,我们还不得而知。“波—转子技术的应用可能会很困难,”丹尼尔·E·帕克森(Daniel E. Paxson)说,他在美国航空航天局戈兰研究中心(NASA Glenn Research Center)从事流体模型设计。帕克森认为,密歇根州立大学的研究 “毫无疑问是超前了”。他的评论既包含着务实的怀疑,更有从创新角度的赞赏。“无论最终的结果是什么,我确信他们都会学到很多”。
美国宇航公司(Astronautics Corporation of America)的研究人员正在研发一种不使用压缩机,而是基于磁体的新型制冷机。从某种程度上来说,所有磁性材料都会在被置入磁场后升温,在移出磁场后降温,这一特性被称为“磁致热效应”(magnetocaloric effect)。原子通过自身振动贮存能量;而当外加磁场将金属中的电子有序排列,并阻止它们自由移动时,金属原子的振动就会加强,温度随之增加。移除磁场后,温度则会降低。虽然这一效应早在1881年就被发现,但它的商用价值却一直被人忽视。这是因为,从理论上来说,只有在极低的温度下使用超导磁体,才能将这种效应最大化到产生可利用的效果。然而在1997年,美国能源部爱艾姆斯实验室(U.S. Department of Energy’s Ames Laboratory)的材料科学家偶然发现,一种由钆、硅和锗构成的合金能在室温下显示出巨大的磁致热效应。自那时起,美国宇航公司还陆续把注意力集中在具有同样性质的其他合金上。
但是别说把这项技术实际应用于冰箱和冰柜,即便是仅仅制作一台原型机,也需要跨过许多障碍。首先,如何控制水流通过多孔的楔形体就是个棘手的问题,因为圆盘要以每分钟360~600转的速度高速旋转。此外,磁体由一种昂贵的钕—铁—硼合金制成,因此,如果要想商业化生产,在仍能保持提供足够强磁场的前提下尽可能小型化也是必要的。正如加拿大维多利亚大学(University of Victoria)的机械工程师安德鲁·罗(Andrew Rowe)所说:“这是一项高风险技术,但它有巨大的应用潜力,而且就其突出的性能而言,也值得去努力。”
其中,美国圣母大学能源中心(University of Notre Dame’s Energy Center)的一种设计尤其引人注目,他们使用了一种被称为“离子液体”(ionic liquid,本质就是一种盐)的新型材料。这种材料的第一个好处是,它所能吸收二氧化碳的量,两倍于其他化学结构类似的碳吸收材料。另一个优点是,在吸收过程中,这种盐会经历一个从固态到液态的相变,这种变化释放的热量能被回收利用,将碳从液体中汲出,便于后续处置。
“我们的模型显示,应该能将(除碳工序的)能耗降低到22%或23%,” 能源中心主任、化学工程师琼·F·布伦内克(Joan F. Brennecke)说,“我们希望最终能降低到15%。”她的研究团队正在制造一个实验室规模的装置来演示这项技术。