“硅谷鋼鐵俠”下一步該做什么

馬星馳

埃隆·馬斯克是一位奇才，是電動(dòng)汽車(chē)特斯拉、SpaceX太空探索技術(shù)公司、太陽(yáng)能城市光伏發(fā)電公司，四家公司的總裁。因?yàn)轳R斯克12歲就賣(mài)出了他自己編程的首款游戲，加上他是個(gè)創(chuàng)新和經(jīng)營(yíng)能力超群的天才冒險(xiǎn)家，并認(rèn)為自己的人生使命是拯救人類，所以人們稱他為“鋼鐵俠”。

鋼鐵俠是美國(guó)人崇尚的超級(jí)英雄之一，銅頭鐵臂、上天入地，保護(hù)人民、懲惡揚(yáng)善。馬斯克不只是崇尚或幻想神通廣大、拯救人類，他正在努力實(shí)現(xiàn)自己的超級(jí)英雄夢(mèng)。

美國(guó)東部時(shí)間2017年2月19日上午9點(diǎn)39分，獵鷹9號(hào)火箭從肯尼迪航天中心具有歷史意義的39A發(fā)射臺(tái)成功發(fā)射，并完成對(duì)一級(jí)火箭的回收，為國(guó)際空間站運(yùn)送約2495千克的貨物，重啟商用“太空物流”。

可以說(shuō)，馬斯克的互聯(lián)網(wǎng)、清潔能源和太空夢(mèng)想已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，剩下的只是如何早日移民火星的夢(mèng)想。

移民火星裝備研制中

美國(guó)內(nèi)華達(dá)州的沙漠上正在建造了一個(gè)形如火星殖民地的巨大的工廠，名為吉格工廠（Gigafactory， Giga表示10的9次方，即10億）。特斯拉計(jì)劃在這里制造一種單一的組件：電池。

電池作為有毒的產(chǎn)品，必須仔細(xì)設(shè)計(jì)，以避免災(zāi)難性的過(guò)熱。一個(gè)好的可充電汽車(chē)電池會(huì)讓你節(jié)約10，000美元左右。可再充電電池通過(guò)執(zhí)行可逆化學(xué)反應(yīng)來(lái)存儲(chǔ)能量，其中離子存儲(chǔ)在正極和負(fù)極之間，并在正極和負(fù)極之間流動(dòng)。好的材料，例如特斯拉和三星的電池常用的鋰化合物，可以儲(chǔ)存大量能量，但充電和放電緩慢，而且在充電和放電時(shí)會(huì)變熱。鋰離子電池需要微小的分離器，以保持組件分開(kāi)，如果這些設(shè)計(jì)不當(dāng)或損壞，它們可能會(huì)造成短路，損壞電池的其他部分，導(dǎo)致反應(yīng)失控，引起電池爆炸之類的事故。針對(duì)這種危險(xiǎn)性，化學(xué)家們一直在研制更好的電池材料。

但電池中的化學(xué)反應(yīng)并不是唯一存儲(chǔ)電荷的途徑，還有一個(gè)重要元件——電容器——也可以儲(chǔ)存電荷。

馬斯克在美國(guó)斯坦福大學(xué)讀了兩天博士就退學(xué)經(jīng)商了，當(dāng)時(shí)他的專業(yè)就是電容器研究。電容器的能量存儲(chǔ)在金屬電極之間的電場(chǎng)中，因?yàn)槌潆姾头烹姌O快且不會(huì)因充電次數(shù)多而折壽的優(yōu)點(diǎn)受到關(guān)注。但是，現(xiàn)在電容器單獨(dú)作為供電設(shè)備，只應(yīng)用于照相機(jī)的閃光燈之類耗電小的電器中。原因是，電容器的儲(chǔ)電量不夠大。

我們知道，每千克汽油含有約4千瓦時(shí)的能量，是目前特斯拉電池儲(chǔ)能的30倍。而傳統(tǒng)的電容器儲(chǔ)能更低，是特斯拉電池儲(chǔ)能的千分之一，每千克只含有0.1瓦時(shí)的電量。也就是說(shuō)，如果你的車(chē)加滿一箱油可以跑500千米，用同等重量的傳統(tǒng)電容器只能跑16米多。

電容器能存儲(chǔ)多少電荷，取決于其電極的表面積。1966年，科學(xué)家制造了一個(gè)電容器，其中電極涂有薄的碳層，碳層布滿了密密麻麻的小孔，使其內(nèi)部表面積增大10萬(wàn)倍左右。其存儲(chǔ)的能量是傳統(tǒng)電容器的10倍。

20世紀(jì)90年代，小型超級(jí)電容器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)生產(chǎn)。如果電源出現(xiàn)故障，它們可以為計(jì)算機(jī)提供即時(shí)、短暫的備用電源，使計(jì)算機(jī)安全關(guān)機(jī)。但電容器為汽車(chē)供電還有很長(zhǎng)的路要走。

神奇的椰子

電容器的發(fā)展在之后一段時(shí)間內(nèi)一直沒(méi)有太大突破，因?yàn)檫@種電極上涂的碳層，其材料來(lái)源長(zhǎng)期以來(lái)都是由椰子殼加工而成的。其加工過(guò)程是將椰子殼在無(wú)氧烘箱中加熱到600℃，以除去碳以外的所有元素，然后加工處理而成。

椰子是如此便宜和方便的碳源，加工后的性能也一直很穩(wěn)定，以至于長(zhǎng)期沒(méi)有人去尋找其他材料。

但是，椰子有很多天然污染物，其加工過(guò)程是有毒和昂貴的。對(duì)于環(huán)保主義者馬斯克來(lái)說(shuō)，椰子顯然該被拋棄了。

亟待突破的綠色發(fā)展

馬斯克希望能源的供應(yīng)不僅僅低廉，而且可靠和綠色。根據(jù)聯(lián)合國(guó)的報(bào)告，可再生能源如風(fēng)能和太陽(yáng)能，在2016年占美國(guó)新能源發(fā)電能力的三分之二，在全球超過(guò)一半。但一方面，電力需求變化很大，冬天和夏天、白天和晚上都不一樣；另一方面，可再生能源的供應(yīng)是間歇性的，風(fēng)不總是吹，太陽(yáng)并不總是閃耀。

這個(gè)問(wèn)題可以通過(guò)智能電網(wǎng)得到解決。智能電網(wǎng)可以通過(guò)不斷地監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)從各種可再生能源發(fā)電機(jī)到消費(fèi)者的能量流，達(dá)到能量均勻持續(xù)地供給。但這不可避免地意味著必須有備用的存儲(chǔ)電力設(shè)備。

于是，添加超級(jí)電容器仍是一個(gè)亟待突破的改進(jìn)。

如何在電容器中儲(chǔ)存更多的能量，并優(yōu)化其生產(chǎn)制造過(guò)程、降低其成本是“鋼鐵俠”馬斯克以及他的團(tuán)隊(duì)仍需繼續(xù)努力的方向。也許有生之年，我們不用花太多錢(qián)，就能利用他們研制出的可以秒速充電、放電的超級(jí)電容器為動(dòng)力上火星。