1704608260
1704608261
相较于煤炭，天然气在燃烧时释放的二氧化碳和污染物更少。在美国，水力压裂法为开采其丰富的页岩气打开了通道，并减少了用煤量。但彭博新能源财经《2016年新能源展望》的首席作者赛博·汉吉斯认为，这种能源转变只是美国特有的现象。他说，在世界上其他国家，天然气都是需要运输或者用管道输送的，这增加了天然气的成本，将限制其在未来几十年的增长。发展中国家可能会选择便宜的煤炭以及越来越便宜的可再生能源。公众对于压裂法引发的地震、生产过程中使用的化学物以及释放的甲烷（比二氧化碳更强的温室气体）的关注也会限制其他地方的页岩气勘探。
1704608262
1704608263
变革的时代
1704608264
1704608265
到2050年，地球上的人口将达到97亿（现在是74亿），能源的需求将会继续增长，特别是在一些新兴经济体的城市。根据国际能源署的《2016年能源技术展望》，到2050年，这些新兴经济体的城市里新增的建筑量将等于目前全球所有建筑的40%，到21世纪中期，城市人口将翻一番。
1704608266
1704608267
更高的能源需求和更好的生活水平，并不意味着更多的污染物排放。根据国际能源署的报告，新的建筑可以安装高效的采暖、制冷、照明系统及家电。使用公共交通工具和电动汽车出行，特别是当它们使用清洁能源时，可以减少二氧化碳的排放和空气污染。例如，在城市屋顶安装的太阳能设备，在2050年之前可以满足其1/3的电力需求。
1704608268
1704608269
关于这次转型的确切范围和速度还不太确定。例如，印度有个雄心勃勃的计划，为目前还没有用电的2.4亿公民带去电力。其目标部分是通过增加风力发电和太阳能发电来实现，同时提高国内煤炭的产量。与此同时，中国正在走一条不同的道路。2015年，中国宣布未来三年暂停新开煤矿。它在零碳技术领域（包括风力发电、太阳能发电和核电）的投资也处于世界领先水平，新核电厂的平均施工时间只有5.5年。彭博新能源财经预测，到2040年，中国电力行业的排放量将下降5%，印度则会继续增加两倍。
1704608270
1704608271
国际能源署估计，未来几十年全球范围内在能源系统方面的投资将超过430万亿美元。根据该机构的计算，到2050年，大概有3%（12万亿美元）的投资是在低碳技术方面，这些投资将把全球变暖控制在2摄氏度左右，并且改善空气质量。
1704608272
1704608273
技术正在彻底改变能源的前景，我们需要重新审视以前关于未来能源限制的种种看法。以前，我们认为未来会出现能源紧缺，现在看来未来将是一个能源高效和充足的时代。并且丰富的能源并不意味着更多的排放或者污染更严重的地球，恰恰相反，随着对智能技术的充分投入，未来我们将享有一个更清洁的地球。
1704608274
1704608275
[1]本章作者安妮·舒卡特是一位自由撰稿人，其文章常见于《经济学人》科学与技术栏目。
1704608276
1704608277
1704608278
1704608279
1704608281
超级技术：改变未来社会和商业的技术趋势 第10章 制造业的新材料[1]
1704608282
1704608283
新材料与新技术的结合将同时改变可以生产什么以及怎么生产。
1704608284
1704608285
宝马i3是一款令人震撼的电动汽车，正如人们预期的那样，这是一款充满新技术的汽车，其最有力的创新来自制造车辆的材料及制造方式。它使用的材料是碳纤维，是一种非常坚固但又很轻巧的复合材料。用这种材料制造汽车的过程更像是纺织行业，而不是金属加工业。这种制造方式的巨大改变将颠覆全世界工厂生产各种产品的方式。这将推翻制造业的传统经济理论，破坏长期以来的贸易流通和供应链。
1704608286
1704608287
“编织”汽车
1704608288
1704608289
从i3的生产过程中我们能够瞥见事情的不同之处。与传统汽车从一块铁板开始不同，这辆汽车始于日本人造纤维厂的一卷聚丙烯腈，由一种合成热塑性塑料拉成丝，就像钓鱼线，然后将其绕成卷并运往美国，在美国被烤制成直径仅有7微米（百万分之一米）的碳化线，然后把大约50000根这样的黑线纺织成一根较粗的纱线，再把较粗的线绕成卷。这些线轴被运往慕尼黑附近的工厂，纱线被一台巨型的类似针织机的机器编织成地毯状的织物。当这些织物送到莱比锡的宝马汽车厂时，它们被切割成各种形状并堆叠在一起。这些织物片被注入树脂压在一起并固化形成刚性、轻质的汽车零件。最后，机器人把这些零件黏合在一起组成车身。
1704608290
1704608291
宝马i3的生产线与其他汽车厂有很大不同。首先，工厂里面极其安静，没有冲压金属零件的轰鸣声或者焊接的爆裂声，也没有巨大的、昂贵的油漆车间对金属零件进行清洗和防腐处理（碳纤维不会生锈）。公司的与众不同之处还在于：整体而言，i3的生产比使用传统工艺和材料生产这样的汽车节省50%的能源和70%的水。
1704608292
1704608293
莱比锡工厂在使用新材料和改进材料方面一直走在前沿，不断地把实验室的研究成果应用到生产中。这次的新材料革命不仅仅是碳纤维，还有很多其他复合材料，如新颖的合金、专用涂料，塑料和金属的混合材料，具有生物功能的有机材料，具有形状记忆功能和自我修复甚至自我组装功能的智能材料。另外，通过在分子尺度对材料进行操作，越来越有可能定制具有新特性的物质或改变物质的属性，例如，对光、电、水和热的反应，也能进一步提高现有老材料的性能。
1704608294
1704608295
成功发明新材料和改良现有材料的关键是具有在商业上大规模应用的能力，这个过程可能需要几年。例如，碳纤维技术已经出现几十年了，已用于制造战斗机、高尔夫球杆、高性能山地自行车、F1赛车等，主要优势是其比钢的强度更大，但至少轻50%。这种高强度是来自碳化合物的分子结构之间的强化学键，就像钻石的结构一样。通过调整纤维之间排列的角度，可以在需要的地方增加强度，能够做到刚柔并济。
1704608296
1704608297
随着应用经验的积累，在商业航空航天领域碳纤维被用来替代铝，重量更轻的飞机消耗的燃料和排放的废气都更少。现在，波音787以及空客A380、A350等飞机的材料中，碳纤维占了一半左右。但其价格昂贵，主要是因为其生产工艺复杂、费用高昂、生产速度慢、劳动密集度高。对于小众的专业领域，如昂贵的山地自行车和飞机，价格不太敏感，但汽车产业是一个大众市场。
1704608298
1704608299
黑色艺术品
1704608300
1704608301
通过研发速度更快、成本更低的碳纤维生产工艺，宝马公司正在率先进入碳纤维材料的大规模生产领域。分析师预测，到21世纪20年代中期，碳纤维将成为主流的生产材料，大量取代钢铁和铝。到2050年，大部分的汽车都将是电力驱动以及自动驾驶的，轻质碳纤维可以让这些汽车的空间更大、抗冲击性更强。
1704608302
1704608303
大量其他的新材料也将在汽车和其他制造业取得突破性进展，基础科学方面的研究趋势也正在推动这个进程。首先，在最小微观尺度上人们对物质属性的认知有了进一步的提高。材料科学家不断地从最近一个世纪物理和化学的突破中吸收知识。研究人员现在拥有更好的仪器，如电子显微镜、原子力显微镜、质谱仪和X射线同步加速器等，可以比以前更好地测量和探索材料的结构细节。
1704608304
1704608305
这些细节延伸到物质最基本的组成部分。每种材料都是由原子组成的，每个原子的行为取决于其属于哪种化学元素。这些元素具有不同的化学性质，化学性质与原子外层电子云的结构相关。互相配对的原子及其共享的电子组成分子，分子是化学元素或者化合物的最小颗粒元素。如果能在分子层面设计材料，将为材料处理消除很多不确定性。
1704608306
1704608307
相较于过去，这是一个巨大的变化。当托马斯·爱迪生在1879年发明第一个可用的电灯泡时，他需要依靠不断地试验和试错，测试了1600多种不同的材料，从椰壳纤维到同事的胡须，最后才为他的灯泡找到了合适的灯丝。今天，发明者可以使用超级计算机来寻找合适的候选材料，例如，用于制作更好的发光二极管（LED）的新的半导体材料，在把电转换成光方面，LED比灯丝更有效率，正在取代传统的灯泡。LED是一项材料科学发明，到2050年，新的LED将不再是单独的照明设备，而是融入建筑物天花板的光幕。天花板生产商则需要考虑把自己转变为照明工程师，以免被灯具公司吞并。很多其他的行业也将面临这种业务领域的转变。
1704608308
1704608309
进行大规模的数据采集可以加速这个过程，例如，基于加利福尼亚州劳伦斯伯克利国家实验室超级计算机集群的开源“材料项目”。该项目正在编制大约10万种已知或者预测的化合物的性质，形成了一个“材料基因库”。这意味着不需要像爱迪生那样去寻找具有特定性质（导电率、硬度、弹性、与其他化合物的融合性等）的材料，未来科学家只需要给出所需的材料性质，电脑就可以为他们列出合适的候选材料。
[
上一页 ]
[ :1.70460826e+09 ]
[
下一页 ]