液态电池
如果没有一种很好的方法来大规模储存电力,太阳能发电在夜间就失去了用武之地.一种完全由液态活性材料制成的新型电池也许能给电力的存储带来极大的希望.这种液态电池的成本不及现今最好电池的1/3,使用寿命也大大延长.
这种液态电池和其他任何电池都不相同,其电极是熔融金属,在电极间传导电流的电解质则是一种熔盐.这种非同寻常的装置可快速吸收大量的电子.电池的发明者、美国麻省理工学院材料化学教授唐纳德·赛多威称,这种电池的电极可运行的电流要比现有任何电池高数十倍,更重要的是,材料相对便宜,且这种设计利于制造.
该电池包含一个由绝缘材料包围的容器.研究人员将熔融原材料添加到容器内:底部是锑;中间是如硫化钠之类的电解质;顶部则是镁.因为每种材料的密度不同,所以可自然地保留显微镜在各自不同的层面,从而简化了制造工艺.这个容器具有一个集电器的双重功效,从太阳能电池板收集电力,或将它们传送到电力网以给企业或家庭供电.
当电力流入电池时,溶解在电解液中的锑化镁就会形成金属镁和锑;当电池放电时,两个电极的金属再次溶解形成锑化镁,锑化镁溶解在电解质中,造成电解质增多而电极缩减.
赛多威设想将这些大电池用导线连成一个巨大的电池组.如果要满足纽约市高峰期的电力需求(约1.3万兆瓦),那么这个电池组占据的面积就将达到约6万平方米.给它充电将需要空前规模的太阳能电站,这些电站不仅要生产足够电力满足白天的用电需求,还要给电池组充足电以满足晚间的电力需求.首个系统将采取在用电低谷时存储电力来满足高峰期用电需求的方法,如此就降低了建设新电站和传输线路的需要.
研究人员已提出了很多种存储来自间断性电源电力的方法,其中部分已投入了有限的使用,如白天将水泵上山,晚间再将水下泄带动自旋发电机发电.而液态电池的优点在于价格低廉,使用寿命长,应用范围广泛(不像泵水方式只能固定在一处).
在创建了液态电池的首个原型后,研究人员正在试验使用另外的金属和盐,金相显微镜因为在高浓度条件下要溶解电解质中的锑化镁是不可能的,所以首个原型就必须做得很大,这样实用性就大打了折扣.赛多威虽还没有确定新的材料,但他说会依据同样的工作原理来进行试验.他希望在5年之内推出可商业化的液态电池.
行波反应堆
对反应堆的核燃料进行浓缩及定期打开反应堆补充核燃料,是核电站运行中最繁琐和昂贵的步骤.用过后的核燃料从反应堆中取出后,必须对之进行再处理以回收可用材料.而且,核电站还存在核扩散和环境污染风险.
为解决上述问题,美国华盛顿一家名叫"智力投资"的发明投资公司提出了一种经济可行的,只需少量浓缩核燃料即可运行的新型反应堆设计方案,他们称之为行波反应堆.
当行波反应堆运行时,其堆芯逐渐将非裂变材料转变成它所需要的核燃料.智力投资公司的核计划部经理约翰·基勒兰德称,基于如此设计的核反应堆在理论上可以运行两百年,而不用再次加注核燃料.
基勒兰德的目标是利用目前的核废料来运行反应堆.常规反应堆使用铀-235,它很容易裂变并产生连锁反应,但铀-235既稀缺又昂贵,它必须在特殊的浓缩工厂从更为常见的非裂变材料铀-238中分离出来.每隔18个月至24个月,就必须打开反应堆,从中取出数百根核燃料棒,再补充数百根新的核燃料棒,剩下的则在下次运行时予以撤换,以供应所需的裂变铀.这就衍生出了核扩散问题,因为一个设计制造电力反应堆所用低浓缩铀的工厂,在细节上有别于设计制造核弹所用高浓缩铀的工厂.
但是,行波反应堆只需薄薄的一层铀-235.其堆芯中大部分为铀-238,作为天然铀中提炼出铀-235后的残留物,铀-238在全世界的储量达数百万公斤.麻省理工学院核燃料循环项目执行主任查尔斯·福斯伯格说,该设计提供了核燃料循环的最简可能,这样全球只需一个铀浓缩工厂就够了.
该反应堆的诀窍在于自身就能将铀-238变成一种可用核燃料钚-239.常规反应堆也能生产钚-239,但是必须移去用乏后的核燃料,将之切断并用化学方法提取钚,这是一个肮脏、昂贵的过程,也是制造原子弹的一个主要步骤.行波反应堆生产出钚,并立即加以使用,从而消除了被专用于生产核武器的可能性.一个不到1米的活性区域沿着堆芯运动,就能给前方不断地提供新的钚核燃料.
行波反应堆的想法可追溯至20世纪90年代初.然而,基勒兰德的团队第一次开发出了一个实用的显微镜设计.智力投资公司已获得了该技术的专利,他们现在正和一家反应堆制造商讨论专利许可事宜.尽管仍有一些基本的设计问题需要加以解决,如反应堆如何在事故条件下运行的精确模型等,基勒兰德还是认为,一个商业化反应堆可在2020年初开始运行.智力投资公司认为,在核工业全面复兴和核燃料供应吃紧的情形下,行波反应堆设计沿着这条路走下去一定会吸引更多人的目光.
纳米压电传感器
纳米传感器具有敏锐的灵敏度,体积也极其微小.它们的用处多多,如检测血液中疾病分子的迹象;探测空气中的有毒气体;追查食品中的污染物等.但要将这些设备做到完全小型化,电池和集成电路就成了其拦路虎.美国乔治亚理工大学的材料科学家王中林教授利用压电技术发明的微型发电机给纳米世界带来了全新的动力.如果他能获得成功,生物和化学纳米传感器今后将能自己给自己供电.
早在一个世纪前,人们就已经知道了压电效应的存在,即晶体材料在机械压力下可产生电势.但2005年,王中林首次向人们展示了纳米层级的压电效应.他用原子显微镜的探针针尖去弯曲单个的氧化锌纳米线,当纳米线弯曲并回复到原有形状时,由锌和氧离子产生的电势就能驱动电流.在最初的试验中,王教授诱导出的微小电势仅几个毫伏.但他确信,只要经过足够多的实验,他一定可以设计出实用的纳米电源,这样的电源甚至可以利用我们身边的微小振动,如声波、风乃至植入设备中血流量的波动.这些微妙的变动会使纳米线弯曲而产生电力.
去年11月,王教授在一层聚合物中嵌入了氧化锌纳米线,结果产生了50毫伏的电势,这是在微型传感器供电技术的开发上向前迈出的重要一步.
王中林希望,这些发电机最终能被织入纤维中,这样的一件衬衣所发出的电力足以给iPod这样的随身便携设备充电.当然,目前纳米发电机的输出功率太低,还做不到这一点.王教授说,这需要200毫伏甚至更多的电势,他计划通过层叠纳米线的方法来实现,不过这还需要经过5年到10年的精心设计.
与此同时,王中林已展示了新型纳米传感器的首个元件.他所称的纳米压电技术利用了这样的事实,即氧化锌纳米线既能展现出压电效应,同时又是半导体.第一个特性使得氧化锌纳米线扮演机械传感器的角色,因为它们会对机械应力作出反应产生电力;第二个特性则意味着,它们可用于制作集成电路的基本元件,包括晶体管和二极管.不像传统的电子元件,纳米压电元件不需要外部电源,它们暴露在给纳米发电机供电的同样的机械应力下时,自身就能发电.
一旦将纳米压电元件从外接电源的桎梏中解放出来,就有可能开辟多种实际应用.集成有纳米发电机的一个纳米压电助听器就可以用到多根纳米线,每一根可调谐到各种声波的不同振动频率.纳米线将声波转换成电信号并进行处理,以便它们能直接传送给大脑中的神经元.这样植入的神经假体不仅比传统助听器更紧凑、更灵敏,而且还无需因更换电池而拆除.纳米压电传感器也可用于检测飞机发动机中的机械应力,只需几个纳米线元件就能监测压力、处理信息并给机上电脑通报相关数据.无论是在身体中还是在空中,纳米设备最终将遍布我们周围的世界.
散列缓存
在贫穷的发展中国家,互联网接入的稀缺是数字鸿沟中比缺乏电脑更为突出的顽疾.美国普林斯顿大学计算机科学家魏威克·派说:"在发展中国家的大多数地区,网络的使用费用甚至比美国还贵."通常情况下,贫穷国家的大学一般只能负担得起低带宽连接,个人用户所获得的带宽更是少得可怜,只相当于拨号连接的一部分.为了提高网络接入的公共性,魏威克·派和他的研究小组开发出了一种高效缓存技术——散列缓存,它可将频繁访问的网站内容存储在一个本地硬盘上,而不是使用宝贵的带宽资源,以重复检索相同的信息.
尽管网络具有千变万化的特性,但其绝大多数内容往往并不变动或不常变动.目前的缓存金相显微镜技术不仅需要大硬盘来保存数据,还需要大量的随机存取存储器(RAM)来存储索引,这个索引包含硬盘上每段内容所对应的"地址".相对于硬盘的容量来说,RAM成本较高且只能在有电时才能工作,它像带宽一样在发展中国家往往既昂贵又稀缺.
散列缓存则取消了存储索引的要求,将RAM和电力的需求降低到大约1/10.它利用数学上的散列函数,将每个存储的Web"对象"(网页上的影像、图片或文字块)的URL转化成一个很短的数字.虽然其他大多数缓存系统也能做到这一点,他们也能在RAM占用表中存储每个散列数字,并将其与硬盘的内存地址相关联.但魏威克·派的技术则可以跳过这一步,因为他使用了一种新的散列函数:函数产生的数字可界定硬盘上的位置,在此就能找到相应的Web对象.魏威克·派说:"通过使用散列函数直接计算位置,我们就能完全摆脱索引."
魏威克·派表示,可以肯定的是,一些RAM仍然是必要的,但仅够运行散列函数及实际检索一个特定的Web对象即可.虽然仍处在非常早期的发展阶段,但研究人员正在加纳的科克洛比特伊研究所和尼日利亚的奥巴费米亚沃洛沃大学对散列缓存技术进行实地测试.
互联网通信的基础——HTTP规范的编写者之一吉姆·杰提斯说,该项技术终结了基础缓存技术长期以来的停滞不前状态.虽然贫穷国家的学校购买数百吉的硬盘已越来越可行,但如果他们使用了当前最好的软件的话,这些学校通常就只能负担得起足够的RAM来支持数十吉的缓存内容.而使用散列缓存,一间配备了相当多的各类型电脑,甚至是废弃电脑的教室,就可存储及廉价地访问1TB的Web数据.这足以存储维基百科的所有内容,或是存储从莱斯大学和麻省理工学院免费获得的所有课程.
哈佛大学伯克曼互联网与社会研究中心的伊桑·朱克曼研究员表示,如果用新的光纤将东非连接到互联网,那么某些非洲大学的数千名大学生就可以与家用ADSL几乎相同的速度共享连接.他说:"这些大学都有严重的带宽限制问题,所有的学生都想拥有一台电脑,但几乎从未有过足够的带宽.这项创新使得运行一个大型的缓存服务器变得异常的便宜."
魏威克·派计划以这样的方式授权其散列缓存技术的使用,既对非盈利组织免费,但同时又不排除未来进行商业化的可能.
软件自定义网络
多年来,计算机科学家们朝思暮想着如何提高网络的速度、可靠性、能效和安全性.但他们的计划通常都只能停留在实验室项目阶段,因为互联网核心中的路由器和交换机已被思科和惠普等知识产权公司的软件垄断了,所以想以足够大的规模对新开发的软件系统进行测试来了解其可行性几无可能.
受挫于无法在现实世界中摆弄因特网路由,斯坦福大学计算机科学家尼克·麦吉沃恩和他的同事开发了一种称为Open Flow的标准,这使得互联网研究人员基本上可通过"软件自定义网络"来定义数据流.安装一小块这样的Open Flow固件(嵌入在硬件中的软件),就能使工程师获取流量表及与交换机和路由器控制网络流量相关的规则.它还能保护所有者的路由指令,将一个公司的硬件与另一个公司区分开来.
将OpenFlow安装在路由器和交换机后,研究人员就可以使用在自己电脑上的软件进入流量表,只需点击一下鼠标就基本上控制了网络的布局和交通流量.这种以软件为基础的访问可让计算机科学家以廉价和简易的方式测试新的交换和路由协议.
通常,当一个数据包到达一个交换机时,固件检查数据包的目的地,并根据预先确定的规则提交数据包,而网络运营商对此规则没有控制权.去往同一个地方的所有数据包都沿相同路径进行路由,并以同样的方式进行处理.
在一个运行Open Flow的网络上,计算机科学家们可对这些规则进行添加、减少或干涉.这意味着,研究人员可通过电子邮件给予视频优先权,从而减少在视频流播放时时常出现的令人恼怒的停顿和启动现象.他们还可对来自或前往某个目的地的流量设置规则,以便隔离来自一台涉嫌窝藏病毒的电脑的流量.
Open Flow也可被用以改善蜂窝网络.移动服务供应商已开始使用为互联网制造的硬件商品来扩展其网络.但是,在用户处于移动状态时要靠这种硬件维持连接是相当糟糕的,你只需想象一下,一台笔记本电脑的数据连接从一个无线基站以不是完全无缝的方式转接到另一个基站时会是怎样的情形.麦吉沃恩说,Open Flow向服务提供商提供了一种解决移动问题的新的尝试办法.
麦吉沃恩的研究小组获得了思科、瞻博、惠普和NEC等网络公司及T-Mobile、爱立信和NTTDoCoMo等移动运营商提供的资金和设备.在运行Open Flow的交换机上进行测试的思路可纳入新路由器的固件,或者也可通过固件升级添加到旧的路由器.麦吉沃恩预计,这些公司中的一家或多家在今年内就能推出内置Open Flow的产品.[上海光学仪器厂]
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