应中科院院长路甬祥邀请，诺贝尔物理学奖获得者、美国劳伦斯·伯克利国家实验室主任朱棣文上周四专程赴京演讲，介绍——

　　“太阳神计划”

　　——未来十年，从太阳获取燃料的主要技术障碍将取得突破

　　文/本报记者 江世亮

　　当今世界面临能源问题和气候变暖问题，美国能源部所属的劳伦斯·伯克利国家实验室在面对国家和世界需求时，全力投入太阳能开发，策划启动Helios（太阳神）计划。

　　Helios计划目前正考虑通过四种途径实现从阳光获取燃料，其中两种是基于活性生物系统，另两种则为人造系统，涉及到光合成、纳米技术及光电化学等学科和工程领域的交叉。这些领域一旦取得突破，将带来极为可观和长期的利益。

　　据悉，美国国会已同意对Helios计划拨款4亿美元。

　　四种途径

　　据朱棣文今年8月在美国国会科学委员会听证会上的介绍，Helios的最终目标，就是利用太阳光产生动力燃料。Helios计划将为此提供一种革命性的方法，以最大限度地获取太阳能，这是一种能满足人类绝大部分需要的能源。动力燃料将成为太阳能中最值钱、最有价值的一种。

　　朱棣文介绍说，按照Helios计划，从阳光到燃料目前可以有四种实现途径（见下图）：

　　途径一：经由生物质将阳光转成燃料

　　生物质是地球上最为丰富的可再生的碳源，而且长期以来一直是人类最主要的燃料。虽然生物质均有能满足绝大部分动力需求的潜在可能，但要实现利用生物质生产燃料，还需克服一些障碍。首要问题是现有的农作物生物质离最佳能-水产率相距甚远；其二是将生物质转换成燃料的成本高昂且效率低下。

　　目前作为动力燃料的乙醇其基本来源为甘蔗和玉米。伯克利实验室的科学家正试图找到一种方法来创建某种“产能”植物，通过导入基因可使这种植物自我繁育、抗旱和抗虫。能有效产能的这种作物也可充分利用美国大农业的有利条件。此外，通过设计某种微生物，科学家希望将纤维素更有效地转化为化学燃料，以更经济地获得生物质燃料并使整个过程呈碳中性状态。

　　途径二：采用光合成法合成微生物生物燃料

　　越过过渡生物质，利用光合成的微生物，直接从阳光制取燃料。这一模式利用了大自然的提纯机制。尽管自然状态下，微生物和植物也能利用阳光直接形成石油和酒精，但其量完全不足以应付美国能源需要。现在需要优化大自然的这一燃料制作过程。伯克利实验室在光合成领域有其专长。美国能源部的基因组研究所和伯克利实验室的基因组研究人员将为此作出贡献。

　　途径三：从光到电：纳米技术生成太阳能电池

　　导致太阳能利用有多种可能的途径。然而，所有已知的潜在途径如今都受限于两大障碍：一是太阳能收集、高效处理和对所获得的能量处理均有赖于全新和最优化的材料；其二是由于昼夜、季节和其他变化因素，太阳能的利用涉及到有效的储存策略。Helios计划将从基本的科学层面开发出克服这些难关的技术。

　　伯克利的科学家认为，由于光电转换的基本步骤在纳米尺度上将涉及生物途径或非生物途径，所以在纳米尺度上出现的控制和模拟方法，对太阳能电池而言将带来巨大的可能性。随着新的基于纳米技术的太阳能电池的出现，有可能戏剧性地扩增太阳能电池的效能；价廉而大容量的太阳能制造技术将成为可能。通过控制尺寸、样式、规模以及纳米尺度构件的连接性能，有可能控制系统的基本能级，新的太阳能电池样式的设计亦成为可能。

　　途径四：通过光化学或光电化学，直接将太阳能转换成燃料

　　自然界的光合成机制提示人们，太阳能燃料能在单一装置中直接通过化学方法转换制得，但制作过程中的能量和生物质的消耗非常大。为此，伯克利的科学家试图开发一种单一的装置，该装置能模仿自然界植物从水和阳光制获取能量的路径，而又比自然过程更稳定且有效。这一途径将在许多方面带来极可观且长期的利益，但是要实现其目标，需要克服的困难也最多。

　　交叉领域

　　朱棣文介绍说，除了这四个途径，Helios计划还提出了涉及基本科学和工程的交叉领域。这些领域一旦取得突破，将惠及以上一个或多个从阳光到燃料的实现途径。这里所说的交叉领域包括：催化、分离、理论、合成生物学和制造。

　　例如，正在兴起的合成生物学就是一个将对Helios计划和其他可替代能源研究计划起到不可或缺作用的关键角色。2003年7月，伯克利实验室建立了世界上首个合成生物学研究机构，其使命是了解和设计生物系统及其组成，以应对自然发生机制不能解决的一系列问题。目前领导这一团队的是加州大学伯克利分校和劳伦斯·伯克利实验室的教授科学家Jay Keasling，作为合成生物学的领军者，他也是Helios计划的领导者之一。

　　合成生物学的首要作用是，创建可跨越整个Helios计划的生物学构件。例如，这一方法将使得利用快速、可复制的工程化电池将可再生的资源（阳光、纤维素、淀粉和木质素）转换成燃料成为可能。

　　这一跨学科研究的目标是：1.在基本了解基础上，开发一种标准的、可相互交换的生物构件（部件、装置和底盘），以使我们能按常规构建大量有用的生物系统；2.开发能组织和分析数据、预测生物学组分行为的数学模式和计算方法，设计新的生物组分和大型集成系统；3.采用最新的分子仿型技术来更好地理解生物系统并利用其功能。

　　未来十年

　　朱棣文到美国国会作证游说，意在得到国会对这一计划的支持。而议员们除了对计划内容本身，更关心的是这一计划何时能产出结果。朱博士对此当然很明白，所以他接下来就转入这一话题。

　　朱棣文这样说，Helios是一个通过革命性的研究方法来达到目标的计划。任何计划都是存在风险的，但是在作出周到安排后，实现可持续的能源供应计划的可能性是很大的。我们不知道哪一种方法或研究计划的价值更高，收效更快。所以我们给出我们的管理方案和一种柔性的能对新情况和新结果作出回应的系统。

　　朱棣文告诉国会议员们，实验室的科学家们充分意识到时间表是基本的。为了确保Helios计划及时见效，他们已经采取了一些积极的管理策略。每一途径的技术需求及已知的主要障碍已经明确列出。这些都将每年检查两次。Helios计划的审查人被要求开发核心研究领域，而且要对四个途径中的至少一个有直接的贡献。随着计划的推进，将精力集中在这些最受关注的方向上。

　　朱棣文承诺，在未来5年内，Helios计划会在一些特定方面（如改善光生伏打和找到更好的粉碎纤维素的办法）取得一系列的进展，未来10年内将围绕目标在主要方面取得突破性进展。

　　在演讲结束前，朱棣文博士这样表述：我强烈地认为，在应对能源挑战中，最直接和最富实质性的收益来自提高能源的效率和减少能耗。能源部的重要使命是促进基础科学进展，以提供能源的解决方案。随着公众对能源危机及其对环境的牵连影响的意识增加，能源部预定在基础科学和能源研究方面增加预算。我们相信现在正是实施Helios计划的合适时机。

　　或许是朱博士的演讲打动了国会议员们，也可能是能源危机及环境问题本身的份量，据悉，美国国会已原则同意斥资4亿美元支持从阳光到燃料的Helios计划。

　　什么是“Helios”计划

　　Helios——赫利俄斯，希腊神话中的太阳之神，是传说中高大魁伟、英俊无须的美男子，身披紫袍、头戴光芒万丈的金冠，每天驾驶着四马金车从东到西，晨出晚没，克服中途所遇到的各种艰难险阻，为大地上的所有生物送去光明和温暖。

　　美国劳伦斯·伯克利国家实验室以“Helios”命名的能源研究计划，目标就是提供一种革命性的方法，使人们可以最大限度地获取太阳能，借助阳光开发可再生和可持续供应的能源。

　　Helios计划将通过4种途径，使阳光转化为动力燃料，其中两种是基于活性生物系统，另两种则为人造系统。其优势是所有的过程和研究途径都能紧密整合，而这些新系统的任何一种对其他清洁能源的实现及独一无二的过程，都将带来巨大的裨益。

　　关注 美国国家实验室科研战略转移

　　今年7月，中科院院长路甬祥访问了美国能源部劳伦斯·伯克利国家实验室，对该室主任朱棣文博士所作的关于未来能源和Helios计划报告甚感兴趣，并建议他尽快访华，到中科院就伯克利实验室能源战略作相关介绍。

　　朱棣文应邀上周四专程赴京演讲，不仅使我们知道了Helios计划，而且了解了名重一时、以核物理研究圣地著称的劳伦斯·伯克利国家实验室近年来大力发展合成生物学、纳米材料和结构、光电化学等新领域，并全力投入太阳能开发的新动向。

　　事实上，美国一批在二战中和冷战期间以研制武器装备闻名的国家实验室冷战结束后纷纷寻找新的发展方向，其中绝大多数都已成功转型。譬如，因在研发和维护美国的核武器库中扮演的角色而出名的美国加州劳伦斯·利弗莫尔国家实验室和新墨西哥州的洛斯·阿拉莫斯国家实验室同时研究起减少或防止环境污染的“清洁”技术。

　　利弗莫尔实验室的研究人员设计出了更符合空气动力学的卡车。研究人员通过计算发现，现有的卡车在高速公路行驶的时候，65%的卡车发动机产生的牵引力被耗费在了克服风力和空气阻力上。通过设计出有着倾斜前顶的卡车，研究人员相信，他们可以使卡车的燃料效率更高，并能够以更小的牵引力行驶。

　　在洛斯·阿拉莫斯国家实验室，研究人员正设法将二氧化碳和其他温室气体禁锢到地下。在劳伦斯·伯克利国家实验室，研究人员正在研制可以根据风向改变自动调节的风车。

　　而橡树岭国家实验室这个当年靠核武器研究起家的科研机构，已在发展历程中逐渐演变成为广泛涉及物质、生命科学研究的多学科国家实验室。该实验室最近有两项大的科技布局调整：一是与田纳西州大学合作，共同建立超级计算、先进材料、生物能源三个研究中心；二是在实验室划出很大一块地建“科学园”，以加强科技成果的转移与转化。

　　总起来看，这些实验室改弦更张的目标所指基本集中在当今世界最棘手的一些问题：譬如大大提高太阳能的利用效率，并使之成为主要的动力来源；还有一些实验室则转向基因组和蛋白质组研究，希望从纳米医学角度切入人类健康领域。美国国立卫生研究院(NIH)近年来启动了癌症纳米技术计划，旨在将纳米技术、癌症研究与分子生物医学相互结合，通过早期发现与蛋白组学、影像诊断、多功能治疗设备、癌症护理与生活质量的改善等方面进行跨领域研究，以期实现征服癌症的目标。

　　这就是美国一些尖端实验室正在着手进行的课题和研究方向。从这份绝不完整的材料我们应该可以得到不少启示，但最重要的一点可能是，我们的科学家和研究团队要学习他们这种以满足国家战略需求和百姓福祉为己任的意识，并付诸行动。

　　（江世亮）

　　背景

　　两年前，美国能源部劳伦斯·伯克利国家实验室正式启动Helios（太阳神）计划，借助阳光开发可再生和可持续供应的能源，以应对日益紧迫的能源危机。

　　伯克利实验室的科学家强烈地意识到，以目前的耗用量计，石油的提取预计在未来10-30年内将达到极限，本世纪末将告枯竭。这意味着大自然百亿年累积的能源仅在200年内就被人类耗尽。目前绝大多数科学家相信，由于温室气体，地球正在变暖。在此情况下，继续向传统的化石能源产业投资是没有前途的。能源的挑战激发了伯克利一批最优秀的科学家的想象力，一个由实验室副主任Paul Alivisatos和物理生物学部主任Jay Keasling领导的多学科结合的团队逐渐形成，其目标是创建一种可持续供应的碳中性能源。Helios计划正是在这样的背景下应运而生。

　　主要从事铀同位素的分离和纯化，并首次发现了人造元素镎和钚，有着美国乃至世界核物理学圣地之称的伯克利实验室何以对新能源开发持有如此热情？这固然与冷战结束的大背景有关，也与实验室不断调整科研方向，发展新兴科技领域，以适应社会新的需求的意识有关。前些年，该实验室就利用回旋加速器，发展了医学物理、理论物理、辐射检测技术等新兴科学技术领域，同时，促进了生命科学、高温化学、生物有机化学等相关学科的快速成长。近年来，合成生物学、工程系统、纳米材料与结构、光电化学等新领域逐渐形成并正在成为实验室的主打方向。

　　在过去的30年，伯克利实验室一直处于开发能源技术的领导地位。由伯克利实验室开发的能源技术使美国的经济在能源投入上节约了数以千亿计的美元，这些技术包括：双窗格玻璃、充气节能窗；现今处处可见的高能效的用于电器启动的电子镇流器；用于建筑设计的软件工具，以及开发出节能节水的应用标准。

　　阳光的魔力——向自然界学习裂解水的原理以获取清洁能源

　　今年将迎来75岁生日的劳伦斯·伯克利实验室位于加州大学伯克利分校校园的山坡上，与著名的旧金山湾为邻。伯克利实验室也是美国能源部最早的实验室。伯克利实验室由加州大学管理，年经费超过5亿美元，现有员工3800人，其中500多为研究生。

　　伯克利实验室的研究范围涉及宇宙学、数量生物学、纳米科学、新能源系统和环境解决方案。现有17个科学分支，包括：先进光源，化学，计算科学，地球科学，工程，环境、健康和安全，环境、能源技术，基因组，信息技术，生命科学，材料科学，国家能源研究科学计算中心，核科学，物理生物学，物理学等。

　　为应对全球能源危机而启动的Helios计划是伯克利实验室近年来实施的一大跨学科项目。该项目的最新进展是该实验室的科学家破译了水裂反应催化剂的分子结构，从而朝着获取清洁能源的道路上又迈出了一步——

　　最近，伯克利实验的科学家成功破译了水裂反应催化剂（Mn4Ca）的分子结构，由此使人们对于光照条件下发生的水解反应的认识又大大向前迈进了一步。该项研究成果刊载在11月3日的《科学》杂志上，其内容对于人们模拟水裂反应催化剂结构，合成一种类似的催化剂分子，利用光能分裂水分子、制造氢气，以得到无污染的清洁能源，将起到巨大的推动作用。

　　据伯克利实验室参与此项研究的一位科学家介绍，这是科学史上第一次如此精确地将吸收X射线分光镜与晶体组合在一起构成活跃的金属格点-光化反应Mn4Ca原子团，并将其置于蛋白质结构中。

　　科学家在绿色植物、绿藻和藻青菌体内——名为光化体系Ⅱ的大蛋白质络合物结构中，发现了这种金属催化剂。该系统进行着自然界中最高效的氧化还原反应——利用光能，将水分裂，释放氧气、中子和电子。鉴于如此高效的反应能够进行，所需的惟一条件竟然仅仅是阳光，于是，这种催化剂成为了科学家试图改善现有的碳中性能源状况的突破口。科学家开始研究这种金属催化剂的结构、工作原理，并试图模拟出近似工作原理的分子结构。

　　此项研究是伯克利实验室正在进行的、以尽可能充分地利用无限的、低成本的太阳能能源为目的Helios计划的一部分。

　　（刘迪 编译）

　　朱棣文简介

　　2004年8月1日，57岁的朱棣文接任劳伦斯·伯克利国家实验室主任一职,成为美国能源部属下这个年代最悠久、门类最繁多的研究实验室的第六任主任。

　　朱棣文卓越的科学生涯始于1976年至1978年，当时他在加利福尼亚大学伯克利分校做博士后研究，其间也曾利用过伯克利实验室的设施。1978年，他进入新泽西州贝尔实验室任研究员，直至1987年。正是这一时期，他在激光光谱和量子物理方面取得的成就赢得了广泛认同。1983年，他被晋升为该实验室量子电子研究部主任，并着手激光冷却和捕捉原子方面具有突破性的研究。1987年，转至斯坦福大学任物理和应用物理系教授，在那里继续从事激光冷却和捕获原子的工作。这项工作终于使朱棣文跟法国和美国同行一起，在1997年分享诺贝尔物理学奖的殊荣。

　　（何积惠 编译）

(责任编辑：Ann)