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光学与低碳

已有 3322 次阅读 2010-7-22 11:51 |个人分类:谈点正事|系统分类:科研笔记|关键词:低碳,光学,能源,杂志| 光学, 能源, 杂志, 低碳

最近,美国光学学会(OSA)创办了一份新杂志《能源快报》(Energy Express),目前暂时附属于OSA主办的著名Open Access杂志Optics ExpressEnergy Express starts as a Supplement to Optics Express),估计在不远的将来,它将单独成刊。

我一直在琢磨,能源应该是一个广泛而深远的重大领域,如果从学科层面看,它不应该属于光学学科,至少不完全甚至主体不属于光学学科。但OSA为什么要抢先办一份与能源相关的新杂志,还要取一个这么大气的名字呢?也许取名叫Optics in EnergyOptics in Energy Technolgy,我们还可以理解。OSA是不是多管闲事或手伸得太长了?

其实,如果我们的视野再宽广一点,从全球经济社会的发展趋势及其起支撑作用的科学技术来看,美国光学学会是有眼光的,主办Energy Express杂志也是合适的。OSA意识到了我们将步入一个低碳时代,即经济社会的发展方式从主要依赖于化石能源的高碳向依赖于绿色可再生能源的低碳转变的时代,低碳时代的核心科学技术是低碳能源技术,而低碳能源技术的实质是新能源技术的开发和传统化石能源的洁净、高效利用。在这些方面,光学的作用至关重要且不可替代!

一、两项主导性新能源技术的发展将主要依赖于光学技术的突破

新能源技术的两大标志性支柱是太阳能和核聚变能。太阳能是光能,光学的作用显而易见。太阳能是取之不尽的可再生能源,可利用量巨大,太阳每小时提供给地球的能量比全世界在一年中消耗的能量还要多!尽管目前已有比较成熟的太阳能技术,如太阳能热利用技术和光伏技术,但其规模仍然很小。发展新的太阳能技术,使太阳能比石油、天然气、煤等更有效、更经济,仍然是一个挑战,正推动着世界范围内的研究和创新热潮。

核聚变能也将是继石油、煤和天然气之后的重要能源。太阳能本质上就是太阳的核聚变能中被太阳光送到地球上的那一部分,太阳时时刻刻都在进行着核聚变反应。所以,核聚变技术的目标就是在地球上建一个人造太阳核聚变反应燃料是从海水中提炼的氢的同位素氘。据测,每1升海水中所蕴含的氘如果提取出来,发生完全的聚变反应,能释放相当于300升汽油燃烧时释放的能量。地球上仅海水中就含有45万亿吨氘,足够人类使用上百亿年,比太阳的寿命还要长。因此,可以说核聚变技术将从根本上解决人类的能源问题!

激光惯性约束核聚变是在地球上实现人造太阳比较有前途的方式,其核心技术是激光点火驱动器。它是一项庞大、复杂、超精密的光学系统工程,工程许多指标接近物理原理和现今技术极限,国内外持续研究了四十多年,2009年美国率先建成了国家点火装置,它将192路高功率激光束集中于一个细小的、装有氘和氚燃料的球形靶上,实现惯性约束核聚变;我国也从神光I、神光II、神光III发展到近年立项的国家重大专项。激光惯性约束核聚变最终走向聚变能源还面临很多挑战,还有很长一段路要走,若干光学技术的突破尤为关键。

二、在传统化石能源的低碳化利用方面,光学的作用也不可或缺

可以预计,化石燃料在今后很长一段时间内将仍然是人类的主要能源。因此,减少化石燃料燃烧释放的二氧化碳的不利影响,即化石燃料低碳化燃烧仍然是一个挑战。这个挑战可以通过探索和研究新的燃烧过程或二氧化碳固定来解决。光学的作用同样至关重要!如,在发展新的和更清洁的燃烧过程方面,激光可以作为先进的诊断工具;在监测大气中的氮气浓度以保证植物生长,维持充足粮食供应方面光谱技术不可或缺。Energy Express说,从使太阳能更加经济,到提供聚变能源、开发碳隔离方法、管理氮循环,所有这些巨大的挑战中光学将有望发挥核心作用。

在节能方面,光学也能发挥巨大作用。例如,人类必不可少的一个最重要的能源消耗方式是照明,具备省电特性的无机发光二极管(LEDs)和有机发光二极管(OLEDs成为越来越热门的固态照明方案,技术演进将使LED的应用更为广泛,光学解决方案将在此领域有所作为

正如Energy Express杂志的主编Bernard Kippelen所说,光学影响能量和可持续发展的科学和工程领域是很多的。如果从科学上理解,这是很自然的。因为光既可作为信息的载体,也可作为能量的载体,而光学是研究光的学科,包括光的产生、光的本性、光与物质相互作用。人类对光作为信息载体的认识和利用,如20世纪激光、光纤、光存储、光显示等技术的出现,将我们带进了以光通信、因特网为代表的全新的信息时代。可以毫不夸张地说,如果没有20世纪光学的巨大进步,就没有今天信息社会的到来。同样的,可以预计且已有充足的证据表明,在即将迎来的低碳时代,光学将发挥不可替代的重要作用。



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