《人类的终极问题》

作者: 袁越

出版社: 生活·读书·新知三联书店

副标题: 未来篇

出版年: 2022-9

页数: 326

定价: 59.00元

装帧: 平装

ISBN: 9787108074119

序：我也喜欢琢磨一些现实的问题

• 在这3个现实问题当中，我首先选择了农业，因为这是现代文明的基础，也是人类改造地球的开始。但是，如今已有超过一半的地球人离开了农村，很多人都已忘记了一日三餐是怎么来的。事实上，地球上的大部分优质土地都已被开发成了农田和草场，农业和畜牧业对地球生态环境的破坏程度一点也不亚于工业，从某种程度上来说甚至有可能更高。
• 接下来我选择了材料，这是被很多人忽视的一种重要资源，很多可持续发展议题里都缺乏材料的身影。其实材料是人类文明的重要基础之一，早期人类发展史的各个阶段都是以材料的名字来命名的。材料还和不同民族的命运息息相关，比如瓷器和玻璃的不同性质可以部分地解释东西方文明发展的不同走向。材料还扮演了现代社会润滑剂的角色，因为不同类型的材料是很难相互替代的，人类对特殊材料（而不是食品）的需求拉开了世界贸易的序幕。
• 至于能源，其重要性无论怎么强调都不会过分。事实上，生命本身即建立在能量的不断消耗之上，所有生物都是能源的囚徒。 对于人类来说，能源的消耗量更是直接决定了我们的生活质量，被誉为现代社会分水岭的工业革命正是从能源革命开始的。而这一革命最直接的后果就是气候变化，这件事也已成为人类可持续发展所面临的最大障碍。
• 因为疫情的原因，我无法再出国采访，材料和能源话题的采访只能在国内完成。好在中国是世界材料大国，我们的水泥产量占全球总产量的一半以上，砂石产量也占世界的一半以上，塑料的产量和消费量的占比均超过了全球的1/3。 在能源领域，中国同样是世界第一强国，尤其在新能源领域的发展速度更是惊人。目前中国的光伏和风力发电占比分别达到了全球的1/3和2/5，中国不但拥有全球最大的电网，也是全球唯一拥有交直流混合电网的国家。中国的动力电池企业在全球十强中占据了7个席位，计划新增核电站的数量和装机容量均居世界第一。所有这一切，使得中国在材料和能源这两个领域均具有举足轻重的地位，从中国的情况就可以近似地推导出世界的走向。

第一章 人类未来吃什么

农业一万年

• 古城里有价值的东西自然早就被搬进了博物馆，遗址处只剩下一个大坑，里面有一段古城墙的遗址，以及一个圆锥形的石头建筑。“这座建筑是古人建造的粮仓，这说明此处的农业很发达，粮食有了富余，这才有能力建造起一座城市。”导游指着那座圆锥形建筑对我们说，“城里养着一群不从事粮食生产的工匠和官员，这就是城市和村庄的最大区别。”
• 生活在21世纪的现代人很容易产生一种错觉，以为人类是这个世界的主人，我们有很强的自由意志，想干啥就干啥。其实人类一直是地球生态系统中的一员，必须遵守这个系统的基本法则，没有例外。
• 别看农业有那么多缺点，但农业有一项优势，那就是丰年时能够支撑的人口数量远比狩猎采集多得多。在冷兵器时代，100个老弱病残一定能打败一个强壮的猎手，这就是为什么当两个部落发生冲突时，农业部落总能获胜的原因。
• 稻米虽然产量高，但营养成分较为单一，缺乏一些人体必需的维生素和矿物质，比如维生素A和铁元素等，也许这就是东亚人身材普遍较矮的原因。稻米不但是所有谷物当中铁含量最低的，而且大米中含有的植酸（Phytates）能够和铁元素相结合，防止其他食物中含有的铁元素被肠胃吸收。因此，以大米为主食的儿童易患贫血症和维生素A缺乏症，后者不但会降低人的免疫力，甚至还会导致失明。科学家们曾经用转基因的方式培育出一种不含植酸，同时又富含胡萝卜素（可以在体内转化为维生素A）的“黄金大米”，能够帮助那些以大米为主食的穷人解决这两个问题。可惜因为部分发达国家的“反转”势力太过强大，这种充满人道主义关怀的新品种一直没能在全世界普及开来。
• 那么，古代人是如何解决大米营养缺乏这个问题的呢？答案就是多吃菜。 凡是吃米饭的地方蔬菜的品种都异常丰富，除了特别穷的人家，每顿饭都会配好几样菜，远比吃面食的地区丰富得多。所有的蔬菜当中，豆类富含蛋白质，是谷物最好的伙伴。中国人的饮食中包含大量以大豆（黄豆）为原材料的豆制品，印度人则喜欢在米饭旁边配一勺用咖喱汤煮出来的扁豆，以色列人的解决办法就是把鹰嘴豆压成豆泥，配以橄榄油和各种调味料，做成胡姆斯（Hummus）酱，搭配用面粉做成的大饼（Pita），这个吃法味道可口，营养齐全，被誉为以色列的国民饮食。
• 南美洲除了为人类贡献了玉米，还贡献了西红柿、土豆、辣椒和烟草，它们对于人类的重要性不必多言。值得一提的是，这四种农作物都是茄科植物。除了茄子最早是被印度人驯化的，世界上绝大部分茄科植物都是被美洲原住民驯化的，因为大部分野生的茄科植物只分布在中北美洲。这个例子充分说明了传统农业的一个最基本的特征，那就是因地制宜。任何一个地方的农民，只能从当地野生植物的宝库中去寻找可被驯化的品种，没有例外。比如新几内亚岛的原住民虽然独立地发展出了农业，但因为岛上缺乏适合驯化的草本植物，当地人只有芋头（Taro）可种，这玩意儿无论营养价值还是产量都极差，岛上的原住民之所以没有发展出先进的文明，与当地的农业效率低下有着直接的关系。
• 正常情况下，土壤侵蚀的速度并不快，每年最多只有几毫米，一个普通农民甚至种一辈子地都不会注意到这个变化。但这个速度比土壤形成的速度快了几十倍，时间一长问题就显现出来了。事实上，凡是农业开始得早的地区几乎都存在土壤流失的问题，我们的黄河之所以叫“黄”河，就是因为曾经遍布黄土高原的农耕土壤被雨水冲进了河里。 同理，中东地区之所以变成了今天这个样子，原因也是农业导致的土壤侵蚀。研究表明，自1万年前农业开始以来，幼发拉底河和底格里斯河的出海口向外延伸了将近200公里，形成了一个总面积高达数千平方公里的冲积平原，组成这个冲积平原的泥土全都来自上游的新月沃地，而后者则因为土壤的流失而逐渐成为不适合耕作的半沙漠地区。中东地区的政治动荡很大原因就在于环境恶化导致农业衰落，当地人养活不了自己，只能铤而走险。
• 有一个例外值得一提，那就是水稻产区的土壤往往保护得比较好，这是因为水稻田常年被一层水覆盖，风吹不走。稻田的灌溉系统往往也会比较健全，暴雨带来的洪水会被储存起来，以便干旱时使用。农业史研究专家罗宾逊教授认为，这一点足以解释为何种水稻的文明往往会延续得比较久，比如中国和印度就是如此。
• 李比希的植物营养学说否定了腐殖质理论，打开了化肥取代有机肥的大门。氮磷钾这三大营养元素当中，磷和钾的需求量相对较低，来源也比较广泛，问题还不算大，最难搞的是氮。空气中虽然充满了氮气，却都是惰性氮，植物无法直接利用。1909年，德国化学家弗里茨·哈伯（Fritz Haber）和卡尔·博世（Carl Bosch）为了生产炸药，研究出了从氮气中合成氨的方法。此法只要稍加变通就可以生产出廉价的氮肥，化肥工业由此开始腾飞，农业正式进入了工业化的时代。

未来的粮食

• 换句话说，化肥很像举重运动员使用的类固醇，短期内确实很有效，但长期使用对身体有害。相比之下，有机质中含有的营养元素是在微生物的作用下缓慢释放到土壤中去的，这就相当于一种缓释化肥，能够持续不断地为土壤增加肥力，还不容易污染环境，整体效果要比化肥好得多。
• 自从5000年前被发明出来之后，犁耕法便迅速传遍了整个世界，说明这项技术确实有很大优势。古代农民在播种前几乎都会用犁把土地翻耕一遍，一方面将土翻松，便于出苗，另一方面也可以将上一季留下的作物残茬和新长出来的杂草清理干净。有些农民还会在翻耕土壤的同时把肥料埋进土里，播种、除草、施肥三件事一起干了。
• 就这样，来自世界各地的农民把地球好不容易积攒起来的表层土壤翻耕了无数遍，谁也没觉得不妥，直到1934年全球大旱，北美大平原爆发了严重的沙尘暴，漫天黄沙一直持续了3年，逼得当地居民不得不背井离乡，去其他州给别人打工，这就是美国历史上著名的“沙碗事件”（Dust Bowl）。这次事件终于让美国科学家们开始质疑耕地的做法，怀疑这种耕作方式造成了土壤水分的丧失和耕层土壤的流失，最终引发了沙尘暴。
• 基于同样的理由，魏刚也不会尝试不同作物的轮作，或者在冬季休耕期间种植覆盖作物，因为这两个做法都需要钱，当地农民是不会出的。但在蒙哥马利提出的保护性耕作体系里，这是非常重要的两个环节，因为轮作（尤其是谷物和豆科植物轮作）可以增加土壤肥力，同时防止病虫害。种植覆盖作物（比如苜蓿）同样可以增加土壤的有机质含量，同时满足了土壤常年被植被覆盖的要求，减少水土流失。
• 从这个例子可以看出，可持续农业需要一定的经济基础作为支柱，同时还要求农民们不过度追求产量。但中国人口压力太大，经济基础薄弱，这两条要求都无法满足，这就是中国农业可持续发展的最大障碍。
• “如果单纯按照土地面积来计算，我们的粮食年平均单产还是可以的，不比农业发达国家差多少。但人家每年只种一季，我们种两季，我们每季的单产只有人家的60%，两季加起来甚至还比人家多一点呢。”中国农业大学国家农业绿色发展研究院院长、中国工程院院士张福锁对我说，“但这么做的结果就是我们的土地一直在不停地种，地力严重透支，只能依靠化肥农药上的高投入来维持一定的产出，资源浪费严重，环境代价太大。”
• 为了改变这一状况，张福锁团队开始在农民中提倡“水肥后移”，即把浇水和施肥的时间都往后移。以前每个种植季要浇4～5遍水，现在只浇2～3遍就可以了。实践证明这么做既节约了成本，又解决了叶片过密致使病虫害加重和容易倒伏的问题，植株根系也长得更好，更容易吸收土壤中的营养物质，于是化肥使用量也跟着降了下来，产量反而有所提高。
• “这两项技术说起来似乎很简单，但也都花了好几年时间才推广下去，因为中国农民喜欢坚持自己的老经验，什么新技术都要观望观望才敢亲自尝试。”张福锁说，“另外，中国小农户的学习能力千差万别，导致新技术的到位率较低，和试验田的差距较大。同样在华北地区，我们的玉米试验田产量已经可以达到每公顷14～15吨了，农民的产量只有6～7吨。”

未来的瓜果蔬菜

• 他们认为有机食品的生产过程对环境更友好。这是个复杂的问题，需要认真对待。有机农场确实在很多方面值得普通农场学习，比如强调不同作物的轮作和间作，以及有机肥的广泛使用等。但与此同时，因为过于强调遵从古法，有机农场在另外一些方面却并不环保，是不可持续的耕作方式。另外，有机农业拒绝一切高科技的态度也和保护环境的初衷背道而驰，比如对转基因技术的排斥就是一例。目前广泛使用的转Bt基因技术可以减少农药的使用，而Bt基因的产物Bt毒蛋白一直是有机农业允许使用的有机杀虫剂，因此有机行业对于这项新技术的排斥是毫无道理的，反而会破坏环境。
• 农业从本质上讲绝不是一个天然的过程，一块地无论怎样耕种都会产生负面影响，有机也不例外。既然如此，那就应该想办法提高耕种的效率，用尽可能少的土地面积和化学品投入获取尽可能多的长期回报，这才是最环保的做法。从这个意义上讲，有机农业相当于奢侈品，少数富人愿意为此买单，这没问题，但如果强行将其推广至全世界，无论是对自然环境还是对普通消费者来说都没有任何好处。
• 磨皮村是个彝族村，建在一座小山之上，上山的公路显然是新修的，又宽又平。公路两边种着成片的柑橘树，叶子绿油油的，和周围的几座秃山形成了鲜明的对比。
• 滴灌的起源已经被写过好多次了，很多人都知道这项技术的发明人叫西姆查·布拉斯（Simcha Blass），是个出生在波兰的犹太裔水利工程师。他年轻时响应号召移民以色列，和几位同行一起开创了以色列国家自来水公司，为所有居民提供淡水。上世纪30年代时，一位以色列农民找到他，提醒他注意一棵生长在沙漠里的大树。经过一番研究，他发现原因是一根埋在地下的输水管道在那棵树附近破了个小洞，水一滴一滴地漏了出来。他把这件事记在心里，直到50年代他退休后终于有了空闲时间，这才发明出了世界上第一个滴灌喷头。
• 所有滴灌喷头的原理都是一样的，就是通过在主输水管旁边加一个分流装置，通过复杂的管道设计把分流装置里的水速降下来，以实现滴水的目的。
• 在李萨易看来，滴灌就是一项非常典型的精准农业技术。所谓“精准农业”，就是采用各种技术手段让植物始终处在最佳生长状态，同时又让所有的外部输入（比如水肥、农药等）尽可能高效地被植物吸收利用，把浪费减少到最低，上文提到的励志果业的水肥一体化系统就是精准农业的绝佳案例。
• “西方国家的食品浪费主要发生在消费端，而中国主要发生在供应链的前端，所以这方面的提升空间是很大的。另外，很多食品浪费是隐性的，比如蔬菜如果采后处理不当的话，大量维生素就会损失掉。你以为买到的是营养，其实只是水而已。”刘珍对我说，“问题在于，保鲜技术的研究往往需要很长的时间，但技术含量却不算高，很难发论文。而中国的科研体系一直是以论文为导向的，因此没人愿意在这方面花时间。中国至今没有建立一个研究采后保鲜技术的研究机构，导致中国在这方面的技术水平非常落后。”

未来的蛋白质

• 从生物化学的角度讲，蛋白质贵得很有道理。三大营养物质当中，碳水化合物唯一的功能就是提供能量，脂肪的主要功能也是如此，唯有蛋白质，不但可以提供能量，还承担着很多重要的生理功能，比如酶的主要成分就是蛋白质，肌肉的主要成分也是蛋白质。另外，蛋白质不像碳水化合物和脂肪那样可以很方便地储存起来留到明天再用，所以我们每天都必须摄入一定量的蛋白质，否则就只能消化自己的肌肉了。换句话说，如果我们只能靠一种食物来维持生命，那么蛋白质是唯一合理的选择。
• 具体来说，要想生产出廉价肉，有3个因素必不可少。第一个因素是品种改良，这是所有农业项目的共同特征。就拿鸡来说，1957年时美国养鸡场的一只鸡养到56天时的平均体重为0.9公斤，1978年时这个数字变成了1.8公斤，2005年时这个数字又变成了4.2公斤！这个变化背后的主要原因就是科学家们培养出了速生鸡品种，饲料转化成肉的速度越来越快。这一方面节约了时间成本，另一方面也节约了饲料成本，因为鸡每多活一天就会多消耗一点饲料，这在生产商眼里属于浪费。
• 根据《经济学人》（The Economist）杂志所做的统计，1985年大型养鸡场的饲料转化比约为2.5∶1，即每消耗2.5公斤谷物饲料才能换回1公斤鸡肉。如今这个比例已经达到了惊人的1.3∶1，快要接近理论极限了。
• 为了加快猪的生长速度，多长瘦肉，饲料中的蛋白质含量还必须很高才行，大豆就这样迎来了属于自己的时代。蛋白质分子的含氮量非常高，只有会固氮的豆科植物才有能力生产出那么多蛋白质。大豆榨油后剩下的豆粕蛋白质含量非常高，是最好的精饲料。中国之所以每年都要进口将近1亿吨大豆，原因就在这里。如果没有这1亿吨大豆，中国人要想维持现有的饮食水平几乎是不可能的。假如我们打算自己种的话，这1亿吨大豆将占用1/3的现有耕地，这同样是一件不可能完成的任务。
• 巴西人去哪里种大豆呢？答案就是亚马孙热带雨林。为了扩大大豆种植面积，这些年巴西人不断地放火清理雨林，最近爆发的亚马孙森林大火就是这一做法的必然结果。
• 巴西人清理雨林的另一个目的就是为了扩建养牛场，这样就可以直接出口牛奶和牛肉了。牛本来是吃草的，1900年时的一头奶牛平均每天要吃15公斤干草，每年能产2000升牛奶。但今天一头奶牛每天吃5公斤干草，外加15公斤精饲料，每年能产1万升牛奶，这就是为什么如今就连发展中国家的孩子们都能每天喝上一杯牛奶的真正原因。
• 和牛、猪相比，鸡肉是最环保的肉类，不但饲料转化率高，而且碳排放和水源污染等问题也远比牛和猪要小。难怪有人将鸡比作电动车，意思是说如果你想保护环境，却又不愿放弃吃肉的话，那么吃鸡肉也许是最好的折中方案。
• 为了最大限度地降低成本，全球畜牧业正面临着品种越来越单一化的问题，导致高产品种对传染病的抵抗力持续下降，最近暴发的猪瘟就是一例。以后类似这样的事情只会越来越多，未来畜牧业的不稳定性肯定要高于粮食和蔬菜。
• 地球是不需要拯救的，环保主义者拯救地球的最终目的也是为了拯救人类自己。但是，此前已经有无数案例证明，人类是一种缺乏远见的生物，善于追求即时快感。这就好比吸烟的危害再大，也挡不住烟民们追求那种“赛神仙”的快感，因为烟草造成的危害是若干年之后才会发生的事情，烟民们没这个远见。同理，畜牧业影响的是未来的环境，但眼前这碗红烧肉实在是太香了，根本无法拒绝。因此，要想让人类为了保护未来的环境而牺牲近在眼前的幸福，简直比登天还难。
• “历史证明，人类的口味是一直在变的。”这家公司的推销员对我说，“古代欧洲人不吃土豆，现在土豆成了主粮；以前人们喜欢精细的白面包，现在喜欢粗糙的全麦面包；过去很多人不喜欢绿菜花，现在很多沙拉里都有它。只要我们能把道理讲清楚，我相信未来是会有人喜欢我们的产品的。”

第二章 人类未来用什么

• 人类文明曾经被材料改变过很多次，未来仍然会继续如此

引言 未来的材料

• 钢筋混凝土、塑料和纤维是人类使用量最大的3种材料，对环境造成的污染也是最大的。人类对于材料的生产和使用方式到了必须加以改变的时候。
• 正常情况下，因纽特人会用海象牙或者兽皮和低纬度地区的人们交换工具，一把钢制小刀的价值要比一件毛皮大衣大多了。同理，古代社会不同部落之间最先开始交换的东西并不是美食，而是制造工具所需的特殊材料。比如，非洲最早的贸易网络就是为了交换黑曜石（Obsidian）而搭建起来的，这种石材只有在火山附近才能找到，在原始人学会提炼金属之前，黑曜石是制造切削刀具的最佳材料，无法替代。再比如，人类走出非洲之后建立的第一个贸易网络是为了交换铅和锡，这两种金属都是制造青铜所必需的原材料，同样无法替代，而且储量稀少。
• 人类文明曾经被材料改变过很多次，未来仍然会继续如此，因为我们本质上都是那位因纽特老人，一旦离开了材料就不再是文明人了。同理，人类对于材料的生产和使用方式也到了必须加以改变的时候了，因为如果再不改革的话，我们也不再是文明人了。

被材料改变的人类

• 只用一句话就足以说明材料对于人类文明发展的重要性：人类进化史的三大阶段都是用材料的名字来命名的。事实上，人类早期文明的每一个重大变化都可以用材料来解释，有些变化甚至就是直接源于材料的革新。
• 奥杜威石器（Oldowan）是一大类刀片型石器的统称，基本上只能用来切肉，没有别的功能。不过大家千万不要小看这些粗糙的石片，它们的出现标志着人类终于从芸芸众生中脱颖而出，走上了一条通往地球霸主宝座的光辉大道。
• 生物进化本身是有上限的，生化反应再强大也合成不出钢筋混凝土，遗传规则限制了动物们的想象力。奥杜威石器的出现标志着人类祖先终于摆脱了生物的遗传限制，获得了近乎无限的上升空间。
• 人类获得的这种超能力并不完全来自工具的使用，因为人类并不是唯一会用工具的动物。一些猩猩会用石块砸开坚果，还有一些鸟类会用树枝从树洞里钓虫子吃。但几乎所有动物都只是把自然界早已存在的东西直接拿来用而已，顶多做一点简单的加工。比如某些鸟类会把太长的树枝咬断，做成长度适合的抓虫工具。奥杜威石器的制作过程则要复杂得多，需要先找到一块质地坚硬的石头当锤子，不断地敲打另一块质地较软的石头（称为石核，通常是鹅卵石），直到将石核的一侧敲出锋利的断口。整个过程耗时很长，不但需要精心挑选石材，还要耐心细致地敲打。人类是地球上唯一具备这种耐心和智力的生物，直到今天也找不出第二例。
• 奥杜威石器的基本形态一直保持了将近100万年，其间没有发生任何重大变化，由此可见早期人类的技术革新速度是多么地慢。直到距今170万年左右才又出现了一种新型石器，因其最早发现于法国的圣阿舍尔而取名“阿舍利石器”（Acheulean）。这也是一大类石器的总称，主要由形似水滴的手斧组成，可切可削可砸可撬，被誉为“石器中的瑞士军刀”。这种多功能石器自出现后便迅速取代了功能单一的奥杜威石器，而发明阿舍利石器的直立人很可能因为掌握了这种新式工具而终于走出了非洲，随即迅速扩散至整个欧亚大陆。
• 阿舍利石器的制作难度比奥杜威石器大很多，需要用不同的石锤对同一件石核做精细加工，整套工艺包含5～6个工序，很多步骤都要预先设计好，顺序不能错，对制造者的智力水平提出了很高的要求。这件事充分说明，在人类社会发展的早期，大家能够使用的原材料都差不多，技术才是核心竞争力。
• 从工具制造的角度来看，无论是鹅卵石、黑曜石，还是木材或兽皮，其加工过程都是在做减法，既无法重新来过，也很难拼贴，所以这几种原始材料的使用范围非常有限，影响力也不大。
• 人类最早学会使用的金属大概是铜，时间大约在距今1万年前，地点是美索不达米亚地区（两河流域）。这一时期人类使用的都是天然的纯铜，有很强的延展性，可以通过简单的加热和敲打改变形状，非常适合用于制造钱币和箭镞。另一种很早就被人类熟悉的金属就是金，这种稀有金属的延展性比铜还好，可以敲打成薄片，同时又不太容易被氧化，永远保持鲜艳的颜色，所以更适合用来制造高档首饰或钱币。
• 纯铜有个很大的缺点，那就是质地太软，所幸这个问题很快就因一次意外事故而被解决了。美索不达米亚的工匠们发现，如果铜矿石中混入了一点含砷的矿石，做出来的合金铜要比纯铜坚硬很多。可惜砷有毒，不少铜匠因此死于非命，于是大家又尝试了其他金属矿石，终于发现添加10%左右的锡也可以达到同样的效果。就这样，在公元前3000年左右，青铜在中东地区首次出现了。
• 最先爆发的部落战争很可能就是为了争抢制造青铜器所需的金属锡。中国境内的铜矿和锡矿都很丰富，无须担心缺少资源，对此没有切身体会，但地中海沿岸地区严重缺乏锡矿，当地人只能派出商队四处寻找，最远甚至到达过今天的阿富汗和英格兰。英格兰岛过去曾经叫作“锡岛”，原因就是英国的康沃尔地区蕴藏着储量丰富的锡矿。

钢筋水泥的功与过

• 石灰石的主要成分为碳酸钙，这是地球上的钙元素最常见的存在形式。如果把石灰石和木炭放在一起高温煅烧，碳酸钙中的碳元素会和氧气结合成二氧化碳并释放到大气中，剩下的白色块状物就是生石灰，其主要成分为氧化钙。生石灰是人类最早学会使用的一种凝胶建筑材料，因其加水后会变软，风干后又会变硬，因此又被称为“气硬性无机凝胶材料”。
• 作为一种建筑材料，石灰最大的问题就是硬度不足，只能用来刷墙或者砌砖。工业革命开始后，英国人对建筑材料的需求量暴涨，迫切需要发明一种比石灰更坚固的新材料。一位名叫约瑟夫·阿斯普丁（Joseph Aspdin）的英国建筑工人受古罗马建筑的启发，研制成功一种新型凝胶材料，凝固后无论是硬度还是颜色都很像英国波特兰地区特有的一种石材，这就是大名鼎鼎的波特兰水泥。
• 自然界还有一种情况能够提供这样的高温，这就是火山爆发。意大利的波佐利（Pozzuoli）地区火山活动频繁，留下了大量火山灰，只要往里面加入石灰就制成了一种近似现代水泥的建筑材料，史称“罗马水泥”。这种水泥遇水后会逐渐变硬，不用等到风干，所以又被称为“水硬性无机凝胶材料”。
• 古罗马人学会了把岩石变为液体，塑形后再变回岩石的诀窍。人类历史上最重要的几种材料，无论是陶土、金属还是玻璃，本质上都是这种能够在液体和固体之间发生转变的物质。
• 和其他建筑材料相比，水泥最大的优点并不是坚固，而是廉价。制造水泥的主要原材料就是普通的石灰石，储量非常丰富，开采也相对容易，用混凝土盖的房子物美价廉，就连最穷的人家稍微努力一下也能住得起，古人“居者有其屋”的理想终于得以实现。混凝土不但可以盖房子，也可以用来造桥修路，于是人类的活动范围大大扩展，普通人也可以很容易地出门旅行了。从某种意义上说，水泥是继铁器之后出现的第二种非常“民主”的原材料，水泥生产技术的进步使得人类的平权运动终于有了实现的可能。
• 单纯的混凝土有个最大的缺陷，那就是它虽然正面抗压能力优秀，但却无法承受侧向的拉扯，因此混凝土只能作为地基、廊柱或者圆屋顶的建筑材料，无法用于横梁或者悬垂楼面，因为这些部位会受到弯曲应力，一点小小的裂缝就会导致整个结构的崩塌。
• 最终解决这个问题的是一位名叫约瑟夫·莫尼耶（Joseph Monier）的巴黎园艺家，他用钢圈做骨架搭了个模具，再灌入水泥，做成了一个花盆，结果这个花盆既能抗压又能抗拉，是建筑师梦寐以求的绝佳建筑材料。于是，大名鼎鼎的钢筋混凝土诞生了。
• 钢筋和混凝土是天生的一对。钢筋出色的抗拉性能正好弥补了混凝土在这方面的先天不足，而水泥的包裹则可以防止钢筋生锈。更妙的是，这两种材料的热膨胀系数居然也完全相同，这就保证了钢筋混凝土结构的建筑物无论在哪种温度下都不会变形。
• 水泥本质上是一种黏合剂，其作用就是把掺入的骨料黏在一起。骨料的主要成分是砂石，也就是体积很小的砂子和体积稍大一点的砾石的混合物。沙漠里的砂子经过多年的风吹雨打，棱角都磨没了，对水泥的附着力太弱，没法用。海滩上的砂子因为含有氯离子，对水泥有腐蚀性，也不能用于工程建设，否则会严重降低建筑物的使用寿命。

塑料，想说爱你不容易

• 19世纪时的1万美元可是一笔巨款，于是一位名叫约翰·海耶特（John Hyatt）的报纸印刷工人立刻把自己的家改装成一个化学实验室，开始疯狂做实验。他用硝酸处理木浆，再把得到的硝酸纤维素溶于樟脑溶剂中，获得了一种神奇的物质，这种物质高温下会变软，塑形后再降温又会变硬，无论是手感还是硬度都和象牙相差无几，这就是全世界公认的第一种商业塑料，商品名叫作赛璐珞（Celluloid）。
• 作为塑料的有机大分子大都是由一个简单的单体结构不断重复扩展而成，科学术语称之为聚合物（Polymer），最常见的单体是乙烯（C2H4）、丙烯（C3H6）和氯乙烯（C2H3Cl），它们的聚合物就是大家耳熟能详的聚乙烯、聚丙烯和聚氯乙烯。这几种聚合物早在19世纪中期就被发现了，但因为制备方法太复杂，成本太高，并没有立刻商业化。
• 万绿达和某知名口罩生产商签了3个月合同，每个月帮他们处理800吨口罩边角料。这玩意儿虽然成分复杂，但也就那么几样，处理起来并不难。相比之下，塑料瓶看似简单，其实不同品牌的塑料瓶成分非常多样化，瓶身可以是聚酯、聚乙烯和聚丙烯，不同的厂家还会使用不同的增塑剂，以及其他一些添加剂。瓶子上的贴膜则主要是聚氯乙烯，绝不能和瓶身混起来用。而塑料瓶盖子有的是用低密度聚乙烯制造的，有的是用高密度聚乙烯制造的，区分起来并不容易。万一操作者不小心弄混了，做出来的再生塑料质量就会很差，卖不出好价钱。
• 塑料很可能是继铁器和混凝土之后人类发明的最“民主”的材料，它的主要成分是地球上最丰富的碳、氢、氧，顶多再加一点氯、氮、硫而已。人类用现代科技手段将这些最普通的元素结合在一起，变成了一种轻质、耐用、功能多样、性能优异的原材料，几乎可以取代人类已经习惯使用的绝大部分其他材料，包括木材、金属、玻璃、橡胶和纸张等等。
• 复杂的问题往往需要复杂的解决方案，塑料问题就是如此。我们不应指望任何一种单一方案能够解决塑料污染问题，也不应指望完全依靠技术进步来帮助人类摆脱困境，而是应该多管齐下，一方面勇敢地向消费主义宣战，主动减少塑料产品的使用，另一方面必须采取实用主义策略，针对不同的塑料分别采取替代、回收、焚烧和填埋等方法加以处理。商家也必须立即行动起来，承担起自己应负的责任，只有这样才能彻底解决塑料问题，最终和这种人类有史以来发明得最全能的材料和平共处。

穿衣服的学问

• 造成这一现象的主要原因在于中国曾经是个纺织工业极度落后的国家，直到上世纪70年代中国人买衣服还要布票，每人每年分到的布票甚至连裁一条裤子都不够，所以才会有“新三年，旧三年，缝缝补补又三年”的说法。那个时候每件衣服都得穿到实在不能穿了才会被扔掉，自然不会有人愿意花钱买别人穿过的旧衣服，所以那段时期中国城镇居民淘汰下来的旧衣服都归民政部管，由他们统一收上来之后，经过分类整理再发给贫困地区的人。随着中国经济的高速发展，很多贫困地区逐渐富裕起来，不太需要这些旧衣服了，于是现在的大部分旧衣服都是由环卫部门当作垃圾收上来，卫生条件和品质都无法保证，这就是为什么关于旧衣买卖的相关法规迟迟未能出台，国内二手衣市场全都处于灰色地带。其实最近几年网络上的二手衣买卖十分活跃，非正规渠道的旧衣交易市场也一直存在。那些非洲人也不要的旧衣服大都被集中到浙江温州的苍南地区，在那里被拆解成再生纤维，用于家具和建材的填充物，相当于降级使用。
• 请问，18～19世纪全球产量增长最快的产品是什么？答案不是钢铁，也不是混凝土，而是棉布。英国人发明的飞梭技术、珍妮纺纱机、水力纺纱机和蒸汽机极大地提高了纺织工业的生产效率，工业革命由此开端。
• 据统计，1815～1860年间棉花出口占全美国出口总值的一半以上，可以说是棉花为美国挣到了第一桶金。但常年无休的耕种把整个密西西比河三角洲的土地肥力消耗殆尽，土壤沙化严重，最终导致了一场席卷整个美国南方的沙尘暴，大批农民被迫流离失所，成为美国历史上的第一批生态难民。
• 另一种天然纤维则在21世纪接过了棉花的班，差点儿毁掉了地球上最后一片大草原，这就是羊毛。据2019年1月30日出版的《科学》杂志的报道，因为羊绒衫（Cashmere，又名开司米）的需求量大增，蒙古人自上世纪90年代开始大量饲养山羊，导致蒙古大草原严重退化。目前蒙古境内已有12%的河流和21%的湖泊完全干涸，70%的蒙古大草原很有可能在不远的将来退化成沙漠。
• 中国老百姓最早接触尼龙这种材料是在上世纪70年代末期，那时中国从日本进口了一批尿素用作化肥，装尿素的袋子就是尼龙做的。当年中国纺织品奇缺，于是不少人把用完的化肥袋子洗干净后重新剪裁做成了裤子，可袋子上面的“尿”字怎么也洗不掉，于是这种特殊的裤子就成了那个年代的一个著名标志。

第三章 未来的能源

• 能量正是让这个世界变得越来越有趣的原动力。

引言 能源：人类想象未来的无限可能

• 人类存在的终极目标就是消耗更多的能量，以此来生产更多的优质信息，比如知识、创新和想象力，这就是为什么人类的能源需求是永远不会封顶的。核聚变将是人类的终极能源形式，人类对于宇宙的终极想象，将会依靠核聚变来实现。
• 但能源就不同了。一个人的幸福程度，几乎总是和他的能源消耗量成正比。一个生活在发达国家的现代人的营养摄入量并不比人类祖先们高多少，但他的平均能耗却是狩猎采集者的50倍以上。充足的能源供应让这个现代人能够生活在几乎恒温的房子里，随时和相隔千里的亲朋好友通话，一高兴就可以用比古时候快100倍的速度去和朋友会面。
• 被公认为未来经济支柱的人工智能（AI）更是潜在的电老虎，因为现阶段的人工智能仍然离不开暴力计算。当年战胜李世石的谷歌围棋程序AlphaGo是一个总功率高达100万瓦的庞然大物，而人脑的功耗仅为20瓦左右。缩小两者之间差距所需要的关键技术，距离现实还很遥远，导致任何一个基于人工智能的软件系统都耗电惊人。据一项来自美国马萨诸塞大学阿默斯特分校的研究显示，训练一个错误率小于5%的图像识别模型所需费用高达1000亿美元，产生的碳排放与纽约市一个月的碳排放相当。如果要想将错误率减半，理论上至少需要再增加500倍以上的计算资源，其成本将是天价，碳排放更是让人难以承受。
• 人类历史上发生过两次大的能源转型，分别是从木柴到煤炭，再从煤炭到石油。这两次能源转型都是因为我们找到了能量密度更高的能源形式，转换起来顺理成章，无须干预。这个规律还能延续下去吗？答案是肯定的，因为我们开发出了核能。核能是宇宙间能量密度最高的能源形式，不但完全符合人类的能源发展规律，而且几乎没有碳排放，是当前最应该大力发展的新型能源。

人类能源简史

• 战马在战争年代虽然很有用，但在和平年代却经常被牛替代。牛的速度比马慢得多，做功效率只有马的一半，寿命也比马短5～10年，看似不是个好选择，但牛是反刍动物，可以消化普通草料，无须跟人争食，这一优势让牛比马更受农民们的欢迎，毕竟耕地不需要速度，但粮食却是非常宝贵的资源。
• 事实上，人类社会的很多特征都可以从能源的角度加以解释。比如，在农业时代结束之前，人口总数超过1000万的超级城市是不可能存在的，因为城里人烧饭取暖都需要能源，而在工业革命之前这部分能源基本上只能从城市周围的森林中获取。干柴的能量密度不算太低，但树木的生长速度十分缓慢，因此一座城市的能源需求至少需要50～150倍的森林面积来支撑。城市所在的纬度越高，所需的森林面积就越大。古代交通不便，森林面积不可能比城市大太多，所以古代社会不可能出现超级大城市。这不是因为政治原因，也不是因为粮食不够吃，而是因为城市居民的能源需求无法满足。
• 英国和中国一样盛产煤矿，但英国的煤质量不好，硫的含量高，烧起来呛人，所以一直没人愿意用。即使后来英国人意识到岛上的森林已经快砍光了，大家也不愿烧煤，因为森林毕竟还没有全用光，总还剩下那么一点点。这个案例充分说明，要想依靠民众的觉悟来保护环境是很不可靠的，人类基因里缺乏“未雨绸缪”这样的意识。
• 炼铁行业同样不喜欢烧煤，因为硫一旦掺进了铁，就会让铁变得很脆。有意思的是，铁匠和酿酒师傅们似乎从不往来，焦炭的制造工艺直到100多年后才被一个叫亚伯拉罕·达比（Abraham Darby）的人带进了炼铁厂。他早年曾经在一家酒厂工作过一段时间，亲眼看到了焦炭的制造过程。1709年，他制造了世界上第一台焦炭鼓风高炉，从此炼铁业也可以不用高价木炭了。
• 这两个例子充分说明，要想保护环境，不但需要开发出新的技术，还要让技术流转起来，两者缺一不可。
• 煤炭很重，需要解决运输问题，于是一个名叫亨廷顿·比尔蒙特（Huntington Beaumont）的人于1604年发明了用两根铁轨铺设而成的“马车轨道”（Wagon-way），方便用马车来运煤。接下来的故事顺理成章，一个名叫理查德·特里维西克（Richard Trevithick）的人把一台瓦特蒸汽机安装在了车头上，火车就这样诞生了。火车是工业革命的第三根支柱，不但节约了原材料的运输成本，提高了工厂效率，而且还极大地扩展了人类的活动范围，这一点对于提高人类生活质量的作用再怎么强调都不过分。
• 1824年，27岁的卡诺将他的理论写进了《论火的动力》一书中，他也因这本书而被后人尊称为“热力学之父”。顾名思义，热力学（Thermodynamics）是研究热与力相互转换的学问，这门新学科首先需要解决的就是不同能量形式之间的换算问题，尤其是动能和热能这两个最被大家熟悉的能源形式。这个难题最终是被詹姆斯·普雷斯科特·焦耳（James Prescott Joule）解决的，他通过精密的实验发现，1磅水（约等于454克）的温度升高1华氏度所需的能量，等同于772磅重的物体下降1英尺所释放的动能。
• 这个实验非常难做，需要精确测量极其细微的温度变化。据说焦耳的眼力非常好，能够看出温度计上1/200华氏度的差异，这就是为什么只有他测出了这个值，而且他测的值和后来采用现代仪器测出的正确值相差不到1%。
• 早年的石油工业主要以生产煤油为主，其余的成分大都被当作废物倒掉了。后来一个名叫约翰·洛克菲勒（John Rockefeller）的商人学会了如何把各种长度的碳链从“废料”中分离出来，分别制成各种化工产品，一个崭新的行业——石油化工行业从此诞生了。再后来，人们又学会了如何从石油中生产合成塑料和人造纤维，人类的物质生活从此发生了天翻地覆的变化。
• 但是，汽油和柴油这两种成分一直找不到合适的用途，被洛克菲勒当作普通燃料廉价地卖掉了。19世纪末期，德国人发明了用汽油做燃料的轻型内燃机，并把它装在了马车上。1903年，一位名叫亨利·福特（Henry Ford）的人成立了福特汽车公司，并开发出了全世界第一款面向普通民众的廉价汽车（Model T），汽油摇身一变，成为紧俏商品。原油中的汽油含量通常只有15%～18%，有人改进了冶炼方法，用高温高压来裂解长链烃，终于把汽油的产量提高到了45%以上。
• 虽然煤炭在取暖和发电市场仍然占有很大份额，但便利的交通对于现代人生活品质的提升作用实在是太明显了，于是大家倾向于把1859年当作人类社会正式迈入石油时代的开始。从某种角度讲，人类至今仍然生活在石油时代，下一个能源时代还没有到来。
• 相比于石油时代，更多的人喜欢用电气时代来定义今天的世界。其中“气”这个字指的是早年间控制电路的气动开关，后来被电磁式继电器开关取代了。
• 电池相当于把储存于某些特殊材料中的化学能直接转变成电能，但这个方法极为昂贵，很难大规模应用。转折点出现在1831年，英国科学家迈克尔·法拉第（Michael Faraday）发现了电磁感应现象，证明电能和动能可以在磁场的作用下很方便地相互转换，这就是发电机和电动机的工作原理。但因为各种技术原因，直到1878年英国人才建造了世界上第一座水电站，把水的势能转化成了廉价的电能，电这才终于走进了普通人的生活。
• 从这个例子看出，能量密度自始至终都是衡量能源可用性的最高标准。但来自石油的碳氢化合物已经是自然界能够提供的化学能量密度最高的物质了，要想进一步提高能量密度，必须用彻底改变能量的物理学。
• 研究显示，触发一次极端缺氧事件所需要的大气二氧化碳浓度是工业革命前平均水平的4倍，活跃的火山活动需要维持几千甚至上万年才能达到这一水平。如今地球二氧化碳浓度已经达到了工业革命前的1.5倍，预计到本世纪中期将会达到2倍。如果我们没有立刻开始减排行动的话，到本世纪末时地球大气二氧化碳浓度就将达到工业革命前的4倍，那时的人类后代便将“有幸”亲眼目睹“大洋缺氧”这一极端事件的发生。

 可再生能源的未来

• 一群正在光伏板下吃草的羊把我拉回了现实。这里当然不是什么火星基地，而是国家电力投资集团黄河上游水电开发有限责任公司（以下简称黄河公司）精心打造的光伏产业园。我所在的地方是园内的百兆瓦太阳能发电实证基地，148种各式各样的光伏发电产品在这里同场竞技，看看哪一种电池板发电效率最高？固定式和追踪式支架哪一种经济上最划算？到底是三元锂电池还是磷酸铁锂电池更适合作为光伏电站的储能配套设施？这些问题都是太阳能发电企业非常想知道的，但只有通过实际操作才能得知真相。
• 如果我们的思维再发散一点，把全中国130万平方公里的沙漠和戈壁滩全都铺上太阳能电池板的话，那么总的发电量足够全世界用的了。事实上，根据一家总部位于伦敦的新能源智库“碳追踪倡议”（Carbon Tracker Initiative）所做的研究，我们只需将总面积45万平方公里，即大致相当于摩洛哥那么大的一块热带沙漠地区铺满高效太阳能电池板，所发的电就已经够全人类使用了。
• 如此高额的投入必须要有巨额回报作为支撑。这个海上风场的投资额约为55亿元人民币，总装机功率为30.16万千瓦。这片海域的年均可发电小时数约为2500～2600，比陆地多1/3。算下来这个风场每年平均可以发出8亿度电，按照0.79元/度的电价计算，每年光靠卖电就可以获得6亿多元人民币的收入。海上风机的设计寿命最低也是20年起，所以这笔投资从长远来看肯定是可以赚钱的。事实上，中国已经连续3年成为全球海上风电的最大市场了，2020年新增装机超过了300万千瓦，占全球增量的一半以上。
• 2021年10月22日出版的《自然通讯》（Nature Communications）杂志发表了一篇由中美科学家联合撰写的研究报告，作者分析了42个主要国家1980～2018年的能源和气象数据，发现即使不添加储能配套设施，仅靠风光发电就能满足绝大部分国家80%以上的用电需求，国土面积越大、纬度越低的国家在这方面的优势就越明显。按照这篇论文的分析，俄罗斯、加拿大、澳大利亚、美国和中国是最适合发展风光电站的国家，而德国、韩国、瑞典和波兰等国家在风光领域的资源禀赋就要差很多。
• 运煤需要火车，运石油需要管道，输电只需一根电线就可以了。电能在电线中以光速传播，看似迅捷无比，但由于电阻生热而产生的能量损耗却是个大麻烦。爱迪生发明的直流系统就是在这个问题上败给了特斯拉发明的交流系统，最终由后者一统江湖。
• “交流电网很像是一个弹性力学系统，节点和节点之间仿佛连着一根根弹簧，遇到冲击会缓冲和振荡起来，所以交流电网的优点是对扰动冲击的自适应性非常好，不太依赖控制，缺点是一旦遇到太强的冲击可能会把弹簧拉断，也就是电网失去稳定性。”秦晓辉对我解释说，“因此，如果要靠交流电网来做远距离大容量输电的话，必须把沿途的电网全部加强一遍，还要求沿途各节点的电压支撑都要达到一定水平，代价较大。而直流输电是相对刚性的，高度依赖精准控制。虽然它的抗扰性和交流输电相比不占优势，但它能实现点对点的大容量远距离输电。如果传输距离超过1000公里的话，经济上要比交流输电划算。”

电氢之战

• 根据IEA所做的统计，目前人类活动所消耗的初级能源可以按照用途的不同大致分为三大类，各占1/3左右。第一类是居住耗能，其中的23%被电灯、电话、电视、电脑等家用电器消耗掉了，其余的77%被用于调节室内温度，包括暖气、空调和风扇等。这一类能耗理论上都是可以被清洁能源所替代的，目前这个比例也已经达到了26%，而且正处在迅速增加的过程中。第二类是工农业生产耗能，其中的75%被用于各种加热过程，比如炼钢和水泥制造等等。这部分能耗比较难以解决，但起码从理论上讲也不是不可能的。剩下的25%是生产过程中的耗电，这当然是可以被清洁能源替代的。
• 第三类是交通耗能，占比32%。四大交通工具当中，火车的问题最容易解决，因为铁轨的位置是固定的，可以很方便地连接交流电网。事实上，如今遍布中国的动车组用的全都是来自电网的高压交流电，这部分能耗理论上完全可以用可再生能源来解决。但火车能耗只占交通耗能的3%左右，汽车、轮船和飞机才是大头。这三种交通工具没法使用交流电网，只能自带能源，而它们的移动属性对所带能源的能量密度提出了很高的要求，汽油和柴油是目前最好的选择。生物质燃料（比如玉米酒精）可以替代一部分，但这需要占用宝贵的农田资源，发展潜力极其有限，因此目前交通领域的能耗有96.7%来自化石能源，这部分碳排放又很难通过碳捕捉技术被处理掉，所以交通领域被公认为是实现碳中和的最大障碍。
• 世界上没有十全十美的事情，于是很多行业都有属于自己的“不可能三角”。金融行业的版本是资本自由流动、汇率稳定和货币政策独立这三者之间不可兼得；医疗体系的版本是便宜、高效和服务好这三者不可兼得；电动汽车行业有点特殊，至少有三个不同的版本：续航、快充和廉价这三者不可兼得；续航、快充和安全这三者不可兼得；电网安全、出行自由和出行成本这三者不可兼得。
• 为了提高电池的能量密度，工程师们想尽了各种办法，但效果都不尽如人意。目前表现最好的三元锂电池也仅仅做到了单体能量密度每公斤300瓦时左右，大致相当于汽油的1/40。另一种常用的磷酸铁锂电池的能量密度大约只有三元锂电池的一半，但它不含钴这种贵金属，从而避免了很多麻烦，价格也更便宜，所以受到一部分车企的欢迎。另外，三元锂电池的安全性不好，一旦发生事故很容易发生短路并自燃，需要从电池设计、材料安排、保护电路和定期检查等很多方面提高它的安全性，这就进一步提高了三元锂电池的价格。磷酸铁锂电池虽然安全性更好，寿命也比三元锂电池长，但它不耐低温，不适合中国北方使用，这就严重限制了它的应用范围。
• 充电速度慢源于动力电池的第二个特性，即它的功率密度比汽油低太多了。为电池充电是一个反向的电子移动过程，我们可以将这个过程想象成一群观众进入一个空着的体育场，通道越宽敞，座位安排得越稀疏，人们找到空位子的速度就越快，但体育场能够容纳的总人数就越少，所以电池的能量密度和功率密度是成反比的，电极做得越厚，能量密度就越高，电极做得越薄，功率密度就越大。制造商只能在中间找平衡，不可能两者兼得
• 另一方面，观众们跑得越快，找到位置所花的时间也就越短，这就相当于充电温度越高，充电速度也就越快。但锂电池不耐高温，长时间高温充电会导致电解液分解，缩短电池寿命，所以锂电池的充电速度不可能做得太快。有一种新技术据说可以让锂电池在充电前迅速升温，快充10分钟后再迅速降温，这样可以有效地避免上述问题，不过目前该技术尚未大规模商业化，效果怎样还不好判断。
• 要想真正实现快充，光有好的电池还不够，还要有足够强劲的电源，这就需要克服电网的物理限制。一般家用电源插头的最大输出功率只有3千瓦，需要20小时才能充60度电。目前市面上常见的商业快充插口的输出功率大约是60千瓦，充满60度电仍然需要一个小时的时间。据说特斯拉的快充技术已经可以做到150千瓦了，但特斯拉电池比较大，充满80%的电还是需要半个小时的时间。如果将来电动车全面普及了，节假日的高速公路上肯定还是会排队。
• 相比之下，一般加油枪的输出功率如果换算成电的话相当于5000千瓦，这就是为什么加一次油用不了一分钟却能跑500公里的原因。电动车的补能要想做得和燃油车一样快，只有换电这一条路可走。
• 电动车电池也可以采用干电池模式，业内术语称之为“车电分离”。这么做有几个显而易见的好处，比如补能（换电）时间短，用户体验堪比燃油车；消费者可以通过买车租电池的方式降低一次性购车成本；电池充电可以由专业人士统一管理，延长电池使用寿命等等。但是，这么做的缺点也不少，比如电池包必须标准化，增加电动车设计难度，整车厂不满意；需要准备很多电池作为备份，盈利模式又不明确，换电站也不满意；等等。所以目前只有蔚来、北汽和奥动新能源等少数几家企业全力支持换电模式，其他企业大都持观望态度。
• 2021年6月30日，中电智慧综合能源有限公司在延庆的氢能产业园建成了北京市第一座对外开放的70兆帕加氢站，我专程前往参观，发现加氢口的设计和加油枪非常相似，好像是在特意提醒大家，加氢的体验和加油一模一样。
• “氢燃料电池技术日本最强，他们的氢车已经不需要配锂电池了。”公司总经理张越对我说，“发展氢能是日本的国家战略，李克强总理2018年去日本考察了丰田的氢车，第二年‘发展氢能’就写进了我国的政府工作报告，中国的氢能产业终于正式启动了。”
• 氢燃料电池需要用到铂这种稀有金属作为催化剂，而铂的外号叫白金，价格非常昂贵，但这并不是氢燃料电池成本高的主要原因。我参观了国家电投集团下属氢能公司的膜电极中试基地，工程师祁毓俊告诉我，铂只占催化剂成本的20%～30%，其在燃料电池总成本中的占比更是不到5%，而且未来肯定还会进一步下降。
• 氢燃料电池贵就贵在其生产工艺特别复杂，而且很多关键设备目前都还需要进口。燃料电池的核心部件是膜电极，一个膜电极包含催化剂层、扩散层、质子交换膜和双极板等很多组件，组装过程十分烦琐，对产品质量的要求也格外地高。再加上氢能膜电极的电压太低，一个电堆需要串联几百个这样的膜电极才能达到合适的电压，这就进一步增加了氢燃料电池的生产难度。中国在这方面还是个新手，技术和经验都很欠缺。但随着产量的提升，降价空间还是很大的，中国的锂电池行业就是个好例子。
• 正是因为氢能起步太晚，导致国家法规严重滞后。张越告诉我，氢气一直被中国有关部门列为危化品，对氢能的发展带来了很大影响。延庆产业园的最大贡献之一就是突破了法规障碍，为后来的各种氢能应用蹚出了一条路。“实际上，氢能比汽油和锂电池都要安全。”张越对我说，“一来氢气太轻了，万一泄漏出来后会立刻向高空扩散，即使着火了也烧不到下面的设备。二来氢气很容易检测，只要在加氢站周围多安装几个检测仪，再和风机做联动，一旦检测到泄漏就自动吹风，氢气很容易被吹散。
• 氢能发展的滞后，和电动车的“抢跑”有关。曾经电动车和氢车都被视为取代燃油车的潜力股，而电动车只需解决电池问题就可以了，因为电网是现成的，不需要操心补能的问题。但氢车除了燃料电池，还需解决氢气的制造、储存、运输和加氢等问题，产业链太长了，需要各方联动才能运转。于是电动车先行一步，迅速占领了新能源车市场，别的技术已经很难挤进来了。
• 如果想办法解决了“氢脆”问题（氢和钢发生的脆化反应），我们甚至可以用天然气管道来输送纯氢，彻底取代天然气的烹饪和取暖功能。
• 氢是最适合用于新能源大规模长期储存和远距离运输的能量载体。相比之下，电池更适合小规模短期储能，两者是互补关系，不必相互竞争。
• 未来氢气将有两大作用。一个是直接作为燃料，全面替代汽油和柴油。另一个是作为化工原料，全面替代石油和天然气。这两个作用不但可以帮助中国摆脱对进口石油的依赖，增进中国的能源安全，而且也都是仅靠风光发电无法完全实现的，只能靠氢。
  • 第一个作用当中，前文只提到了汽车，其实航空和航运业才是未来氢能源的主战场，因为这两个行业的碳排放各自占到全球碳排放总量的3%左右，绝对不容忽视。如果说乘用车还可以靠电池来驱动，那么航空和远洋航运都不太可能，因为电池的物理限制很难被突破，未来只能依靠绿氢驱动氢燃料电池来为飞机和轮船提供动力，或者开发出能够直接烧甲醇或者液氨的发动机。
  • 第二个作用也绝不仅限于工业原材料，而是在炼钢的过程中代替焦炭，用作还原剂。要知道，全球钢铁产业的碳排放约占人类活动排放总量的8%，必须想办法解决。但目前氢气的价格太贵，无论是化工厂还是钢铁厂都用不起。只有当未来的绿氢成本降到足够低之后，碳中和的目标才有可能实现。
• 人类的能源史，可以用能量密度的增加来解释；交流电网的普及，可以用电磁定律来解释；可再生能源的兴起，可以用能量守恒定律来解释……
• 既然人类一直在追求能量密度的增加，为什么能量密度极低的太阳能和风能会成为热门产业呢？这一点可以用二氧化碳的温室效应来解释。正是因为这个物理效应的存在，人类被迫中止了对能量密度的不懈追求，把目光转向了更加清洁的可再生能源。

核能：人类的终极能源

• 让我们再次搬出物理定律，预测一下能源的未来。我们将会发现，既然人类对能量密度的追求是永无止境的，而密度最大的能源形式是核能，那么核能一定会是人类的终极能源。

• 核能研究起源于军事需求，这是毋庸置疑的。一种物质的能量密度越大，其危险性往往也就越高，所以军工技术追求的同样是能量密度的不断提升。核能是自然界能量密度最大的能源形式，1克铀-235裂变之后释放出来的能量相当于2.7吨标准煤，难怪大家都怕原子弹。

• 要想让链式反应在很短的时间内自发完成，从而引发一次大爆炸，铀-235的浓度必须达到90%以上才行。自然界的铀大都是不易裂变的铀-238，铀-235只占0.7%左右，必须先用某种高科技手段（比如高速离心机）将其提纯出来。所幸这项技术极其复杂，对一个国家的工程实力和综合国力都提出了很高的要求，所以只有少数国家具备制造原子弹的能力。

• 核电站的安全维护需要达成三大目标，即反应堆停得下来，余热散得出去，以及放射性物质不扩散到环境中。第一个目标靠非能动的控制棒来实现，迄今为止从没出过问题。第三个目标靠结实的安全壳来实现，以前的核电站不重视这一点，但新建的第三代核电站在这方面做了改进，即使堆芯熔化也能控制得住。

• 最难解决的是第二个目标，即如何为反应堆降温，迄今为止已发生过的3次重大核事故全都是因为这个目标没有实现而导致的。目前大部分核电站靠水来降温，所谓能动技术就是用水泵把低处水池里的水打到高处的反应堆里面去，把热量置换出来。但能动系统需要依靠柴油发动机来提供抽水的动力，万一发动机出了故障就没用了。以前的解决办法就是增加能动设备的数量，从一开始的2套独立系统增加到现在的4套，相当于加了3倍保险。这样的设计保证了任何单一性质的系统故障都不会影响核电站的安全，但却无法应对超出设计基准的偶发事件。比如福岛事故就是因为柴油发动机所处的地方海拔只有10米，结果被15米高的海啸弄坏了，导致所有需要动力的降温设备全部失效，最终酿成惨祸。

• 导致福岛核事故的日本“3·11”大地震以及随后发生的海啸直接杀死了至少1.6万人，但迄今为止还没有任何一个人直接死于核事故，只是核电站周边15万人被迫离开了家园而已，但事后关于福岛核事故的媒体报道铺天盖地，关于地震和海啸的报道相较而言变得不太引人注意。究其原因，一是极端环保组织的夸大宣传起了效果，二是人类的天性使然。人类从来都是对自己看不见摸不着的陌生事物最感到害怕，这是写在我们基因里的一种本能，从早年间的反交流电到现在的反核、反疫苗、反转基因等等莫不如此。

• 远在千里之外的上海也有一个几乎一模一样的监管中心，这就是国和一号的主设计方上海核工院利用“数字孪生”技术搭建的数字化协同设计平台。核电站所有的装备和组件在这里都有一个三维的数码拷贝，设计人员可以头戴虚拟现实（VR）设备模拟现场操作过程，优化产品设计。工人们也可以利用VR设备进行培训，以便尽快适应现场的施工环境，提高工程质量。

• 小型堆的终极形式很可能就是美国麻省理工学院（MIT）的科学家提出的“核能电池”设计方案。顾名思义，这是将一座小型核电站的所有组件集中在一起，在工厂建造完成后一次性提供给客户，只需很少的现场安装就可以发电了，而且无须装料就可以安全运行5～10年。这种核能电池的装机容量可以低至1万千瓦，仅为大型核电站的1%，非常适合作为边远地区、独立社区或者工业园区实现能源自给自足的解决方案，为分布式能源构想提供了一种新的可能性。

• 早年的科学家们没有理由认为可控核聚变会拖这么久，因为人类从试爆第一颗原子弹到建成第一座核裂变电站只用了5年的时间，而第一颗氢弹是在1951年试爆成功的，即使核聚变要比核裂变难搞一点，20年也总可以了吧？但真正做起来才发现，把两个原子核合二为一，要比让一个原子核一分为二难多了，因为原子核都是带正电的，彼此之间有电荷斥力，需要很高的密度和动能才能让两个原子核碰到一起并发生聚合反应。换成工程师语言的话，这就相当于把一团炽热的原子压缩得非常紧密。但高温和高压是两种截然相反的物理性质，很难同时满足，再加上核聚变会释放出巨大的能量，这会让原子团变得更热，因此也就更难被压缩。

• 控制核裂变非常容易，只需降低铀-235的含量就行了，从某种意义上说，可控核裂变甚至要比原子弹更简单一些。但核聚变却正好相反，这是因为聚变反应需要极高的温度和压力才能实现，人类造不出任何一种容器能够装得下这样的聚变材料，所以可控核聚变的原料必须和容器壁隔开，没有第二种选择。

• 英国物理学家约翰·劳森（John Lawson）推导出了著名的劳森判据（Lawson Criterion），并于1957年将这一成果公之于众。该判据是包含温度、密度和约束时间这三个变量的一组公式，只要将核聚变装置的这三项数据代入公式，就可以知道这台装置能否实现正能量，即能量的输出大于输入。

• 就在大家心灰意冷，几乎就要放弃核聚变的时候，从苏联传来了一则让人几乎不敢相信的消息。“沙皇炸弹”的设计师安德烈·萨哈罗夫（Andrei Sakharov）设计了一个名为“电磁线圈环形室”（Toroidal Chamber with Magnetic Coil，即Tokamak，以下简称托卡马克）的磁约束装置，大大提高了等离子体的稳定性。这个新装置相当于仿星器和箍缩机的混合体，外形有点像轮胎，内含多组线圈，有些线圈负责形成强磁场，从外部来约束等离子体，有些线圈负责箍缩，从内部来约束等离子体。萨哈罗夫希望这个设计能够把仿星器和箍缩机的优点结合起来，实现性能上的飞跃。

• 中国科学院在合肥建造的“东方超环”（EAST）做的是同样的事情。这台全超导托卡马克核聚变装置也是做实验用的，重心在长脉冲实验，这是未来稳态发电的基础。2021年12月30日，EAST创造了7000万度1056秒的托卡马克装置高温等离子体放电时间世界纪录，为将来实现核聚变稳态发电提供了宝贵的经验。但是，EAST的等离子体能量约束时间还是太短，密度和温度也还不够高，按照劳森判据的标准而言距离世界先进水平还有很大的距离，尚不具备进行氘氚核聚变的条件。不过，这台装置可以为计划中的下一代“中国聚变工程实验堆”（CFETR）积累数据，并为中国的核聚变行业培养人才，为将来可能出现的技术飞跃做好准备。