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皮卡德的新征程与太阳能的明天

2007-08-13 15:47 作者:鲁伊 2007年第28期
仅借助太阳能电池板提供的动力,完成环球飞行,在许多人看来,不过是又一个奇妙的想法。但对于伯特兰·皮卡德来说,这是一个计划。

仅借助太阳能电池板提供的动力,完成环球飞行,在许多人看来,不过是又一个奇妙的想法。但对于伯特兰·皮卡德来说,这是一个计划。

今年春天,我在华盛顿的国家航空航天博物馆(National Air and Space Museum)参观。一进门,不用动地方,面前就是一部活生生的人类探索天空史诗:“圣路易斯精神号”(林白驾驶的首次飞越大西洋的飞机),“探索者1号”(美国第一颗人造卫星),“水手2号”(第一颗行星探测卫星),“双子星4号”(美国宇航员首次完成太空行走的飞行器),“阿波罗11号”(第一艘登月飞船)……在“水星友谊7号”(第一个环绕地球的载人太空飞行器)右手,“贝尔X-1”(第一架超音速飞机)下面,有一个鲜红色形若胶囊的飞行器。那是“百年灵3号”热气球的载人舱。1999年,伯特兰·皮卡德(Bertrand Piccard)和布莱恩·琼斯(Brian Jones)驾驶着它,完成了人类历史上首次不间断环球热气球飞行的壮举。

一星期前,在瑞士古城卢塞恩,我见到了伯特兰·皮卡德本人。这名49岁的瑞士探险家,本职是一名心理医生。1992年,比利时热气球探险家维姆·福斯特拉滕(Wim Verstraeten)参加飞越大西洋的“克莱斯勒挑战杯”比赛时,希望有一名有飞行经验的心理医生担任副驾驶。他找到了此前一直爱好滑翔的伯特兰。

“如果你的祖父是奥古斯特·皮卡德(Auguste Piccard),而你的父亲是雅克·皮卡德(Jacques Piccard),那就很容易理解,人们为什么理所当然地觉得热气球就是你的运动,而接受挑战的精神流在你的血液中。”伯特兰说。

奥古斯特·皮卡德,伯特兰的祖父,物理学家,密封压力舱原理的发明者,1931年,驾驶热气球到达距离地面1.6万米的大气同温层,成为第一个到达这一高度的人类。《丁丁历险记》里的教授,便以他为原型塑造。

雅克·皮卡德,伯特兰的父亲,1960年,乘坐潜水艇下潜到马里亚纳海沟海平面以下10916米的深处,并在那里停留了20分钟。这一纪录迄今为止无人打破。此外,他还是潜水探海艇的发明者。

作为皮卡德家族第三代的伯特兰,幸运地继承了父辈的天赋和精神。与福斯特拉滕的第一次合作,他们就赢得了那场赛事的冠军。这让一个新的梦想在他心中萌生:只借助风的力量,完成环球旅行。1999年3月1日,他的生日这天,伯特兰和英国探险家布莱恩·琼斯乘坐“百年灵3号”从阿尔卑斯山脚下的代堡(Chateau d'Oex)出发。在19天21小时47分钟不间断的飞行后,降落在埃及。他们飞越了45755公里的长路,无论从时间和距离上都创下了新的世界纪录——事实上,确切地说,是7项世界纪录。

家族的光环和个人的成就,让伯特兰一夜之间成为在瑞士几乎尽人皆知的英雄。走在街上,人们看着他的身影窃窃私语,“皮卡德”——姓这个姓的人有很多,但他是使它变成特定称谓的一个,就像莱特、林白、阿姆斯特朗。

通向英雄的路或许有几千几万条,但在成为英雄后,选项却突然变成寥寥的几种——尤其,当你已经在某一个领域到达他人甚至自己一时无法超越的高度。无外是出书、演讲,成为教科书中的一段文字,博物馆里的一张展板,然后被新的英雄取代,被人遗忘。

然而,这不是“皮卡德”的选择。在7月3日到6日召开的欧洲可持续能源论坛上,伯特兰公布了自己新的冒险计划:2011年5月,他将驾驶太阳能飞机“太阳脉动号”(Solar Impulse),完成环游世界之旅。这架飞机的机翼总长80米,上覆太阳能电池板,届时,太阳,将成为给这架飞机的起飞、航行和着陆提供动力的唯一能源。一个在现场的美国人开玩笑说,看来,国家航空航天博物馆要赶快扩建了。

为什么是太阳能?

在太阳能电池车还属于一种概念的今天,太阳能飞机已经有些令人吃惊,况乎环球飞行?在一片惊呼与质疑的目光中,伯特兰讲了一个故事:70多年前,当他的祖父奥古斯特·皮卡德公布准备探索同温层的计划时,几乎没有人相信他能够活着回来,没有一个保险公司愿意提供保险。可是,对自己发明的经过多次试验证明有效的密封压力舱信心十足的奥古斯特毅然前行。他成功了。

环球不间断热气球飞行的经验让伯特兰体会到重要的一点。热气球本身并没有动力系统,飞行速度完全取决于风,而它本身所能携带的燃料却是有限的。“当你所依赖的只有风,而在某一个时刻,风向不再能够送你到正确的地方,或是风力减弱到不足以让你前行,怎么办?”

答案是,改变高度。

在大气的不同高度层,有不同的风向和风速。有时候,仅仅上升几米,就会有明显的风向变化。“所谓冒险,并不一定是一种壮举,它或许只是一种超越平凡和惯常思维的行动,跳出我们习惯的想法和做法,离开那些我们已经对之产生依赖的行为方式,面向未知。”伯特兰说。他指着一张他和布莱恩·琼斯完成环球热气球飞行后降落在埃及沙漠中的合影,“你以为我要通过这张照片向你展示什么?两个成功者骄傲的微笑吗?不是。我是要展示给你看,留在燃料罐里的燃料已经见底了”。事实上,当他们还有1万多公里的路(总飞行长度的近1/4)要飞行的时候,燃料已经只剩下了1/8。如果不是果断调整高度,以及听从一位气象预报员给出的专业建议,他们根本不可能完成这次飞行。

当伯特兰第一次遇到洛桑理工学院教授、机械工程师和飞行员安德烈·保施伯格(Andre Borschberg)时,他开始发现热气球飞行的另一层隐喻:那是我们的社会,我们的能源,我们的未来。

与我们自幼从教科书上学来的“我们的祖国地大物博,资源丰富”相映成趣,在瑞士,我听到最多的一句话,是“我们的国家除了水资源和人力资源,没有任何其他自然资源”。这让瑞士的研究人员从很早就开始了关于可持续能源的研究。太阳能,是其中重要的组成部分。

每一年,地球表面接收到的太阳辐射,其能量相当于地球上已探明的全部煤矿、石油、天然气和铀矿的总和。瑞士拉帕斯维尔科技大学(Hochschule Fur Technik Rapperswil)太阳能技术研究所的安德里亚·卢奇(Andreas Luzzi)教授指出,2006年,全世界消耗的能源共计455EJ(EJ是Exajoules的缩写,意为百万兆焦耳)。可是,这个庞大的数字,仅相当于地球在1小时6分钟的时间里接收到的太阳辐射量。问题是,怎么把这些辐射,变成可以点亮电灯,让电脑工作的持续稳定的电流?

早在1839年,法国物理学家爱德蒙·贝克勒尔(Edmond Becquerel)就发现了光电效应。当光子照射到光伏发电设备上——通常是硅晶片——就会有电子产生。1861年,一名叫做奥古斯丁·伯纳德·摩夏(Augustin Bernard Mouchot)的法国数学教师,已获得了首个太阳能发电机的专利权。然而,由于太阳能发电所需设备复杂,效率不高,价格昂贵,在漫长的时间里,根本无法同煤电、水电和核电等发电形式相提并论。即使是70年代石油禁运导致的能源危机,也未能让太阳能发电成为能源舞台上的重要角色。

但是,在地球现有主要能源——煤、石油、天然气和铀矿——终将在一个世纪内耗尽,而传统能源带来的温室气体排放对全球气候影响日益显著的情况下,新的技术却已经显著提高了太阳能利用的效率。“1987年,全世界最好的太阳能热电厂的发电效率仅有29.4%,2006年,在实验室中,科学家已经将太阳能光伏电池的效率提高到了40.7%,而已经成熟的可大规模工业化生产的硅晶太阳能电池板技术,也将发电效率提高到了24%以上。”卢奇说。即使在10年前,这还被许多专业人士认为是太阳能电池不可逾越的上限。

与此同时,新技术也降低了制造太阳能电池板的成本。苏黎世联邦理工学院研究员安尼尔·赛迪(Anil Sethi)指出,硅晶太阳能电池板所必需的材料——硅,它的化学成分和沙子是一样的。只是由于提炼的过程牵涉许多环节,对工艺要求相当之高,所以才会特别昂贵。随着这一市场越来越大,工艺逐渐完备,现在的硅晶电池板价格已经显著下降。他和他的同事,更是研究出了可以将硅晶片附着于塑料薄膜而不是传统的玻璃上、从而制造出轻型可折叠太阳能电池膜的解决方案。这可以进一步降低太阳能电池的成本。为此,2006年5月,他创办的Flisom公司获得了欧洲创新大奖“红鲱鱼奖”(Red Herring 100 Europe Award)。

更重要的是,科学家们已经成功地解决了太阳能发电不可储存、仅在一天中的特定时间可用的困境。太阳能热水器仅能将热水储存几天,但新一代的锂离子电池和热化能源储存装置,却可以将太阳能电池板生成的电流储存几个月之久,从而提供持续而稳定的电流供应。

正是因为这些新的进展,让安德烈·保施伯格借助太阳能飞行的梦想有了付诸实际的可能。这位毕业于瑞士洛桑理工学院和美国麻省理工学院的机械工程师,同时也是一个热情的飞行爱好者。一架太阳能飞机,成为他的专业与爱好最佳的结合点。当他揣着这份计划寻找合作者的时候,遇到了刚刚完成环球飞行的伯特兰。两人一拍即合。于是,“太阳脉动”(Solar Impulse)诞生了。

太阳脉动

“太阳脉动”给人的第一印象就是它超长的机翼——80米。这意味着,如果降落在民用机场,它将至少占用两架飞机所需的停机位。伯特兰和安德烈喜欢展示一张“太阳脉动”与空中客车A380的横向比较照片来解释这个概念并不夸张。“事实上,‘太阳脉动’的机翼仅比A380大一点点。”

A380的自重为560吨,而“太阳脉动”仅有2吨。为什么它需要如此巨大的双翼?这涉及到复杂的计算。由于完全靠表面覆盖的太阳能电池板提供动力,只有在这一尺度下,才能实现最小化飞行阻力与最大化太阳能电池板表面积的完美结合。

在洛桑理工学院,安德烈·保施伯格为我详细解释了“太阳脉动”的各项参数。它使用的是目前主流的单晶硅电池板,厚130微米。集成于“太阳脉动”机翼上的太阳能电池板总面积达250平方米,其发电效率最低可以达到20%。同时,机身上还安装有重450公斤的锂电池,每公斤约可储存200瓦小时的电量。这样,即使在夜间或阴天,飞机也可以保持飞行。

“太阳脉动”并不是一架以高或者快为特征的飞机。它所能达到的最高高度为1.2万米,引擎平均动力约40千瓦,平均时速仅为70公里。这些数字,刚刚能够和1903年莱特兄弟驾驶升空的第一架飞机相媲美。“可是,它是第一架真正意义上零碳排放量的载人飞机。”伯特兰强调说。交通运输业产生的温室气体排放量,一直高居工业碳排放量榜的前位。“‘太阳脉动’的环球飞行,并不完全是一种征服式的冒险,而是要传播这样一种信息:如果一直依赖燃料的飞机都可以转换为绿色的、可持续的、零温室气体排放的飞行器,在我们的生活中,我们为什么不能做同样的事?”

这样的转换,在瑞士,正在悄悄地进行中。在洛桑理工学院,我们参观了太阳能与建筑物理学实验室(LESO-PB)的大楼。这所实验室是“太阳脉动”计划的科学顾问之一,也是瑞士太阳能技术的带头者。建于1982年的实验性建筑,由于结合了太阳能电池、内保温材料、空气对流系统等先进的节能技术,每平方米每年的能耗仅有200MJ。带领我们参观的实验室负责人让·路易斯·斯卡特奇尼(Jean Louis Scartezzini)的话引人深思:“让我们觉得最骄傲的是,这所房子里采用的许多技术,现在已经在许多民用建筑中被广泛使用,更催生了一批零能耗实验住宅的诞生。”许多瑞士的建筑承包商已经开始推广新的太阳能住宅改造方案。初始成本仅比通常的住宅改造高出6到7个百分点,但是每年能耗却可以降低2/3。丹尼尔·法拉特(Daniel Favrat)教授率领的实验室,则致力于将纳米技术与太阳能光伏发电技术结合起来,研发新的可持续建筑材料。他的最新进展,是太阳能电池玻璃幕墙。由于使用纳米材料作为表层,这种太阳能电池幕墙不仅可以吸收可见光,还可以吸收可见光波段外的光线用以发电。新的太阳能电池玻璃幕墙与市场上通行的装饰幕墙外观上几乎没有差别,一改以往太阳能电池板的粗重,虽然牺牲了部分效率,但在城市中的应用前景显然更加广泛。

正如伯特兰所说:“愿意为环境买单的人毕竟只是少数,这些力量不足以改变社会。在21世纪,真正的冒险和挑战是改善人们的生活质量,而可持续能源,必须是一项可以让人们从中真正获益的生意。这是‘太阳脉动’和它背后的研究小组要告诉给世界的最重要的消息。”

离开瑞士那天,在日内瓦机场有一个多小时的停留,难免要逛一下免税钟表店。劳力士的专柜前照例挤满了我们的同胞。不知道他们知不知道,劳力士的“潜水系列”之所以名扬天下,原因之一,是雅克·皮卡德潜入马里亚纳海沟深处时,潜水艇外就挂着一支当年刚研制出来的劳力士深海潜水表。瑞士钟表总是与传奇密不可分,就像百达翡丽,尽管知道我辈此生恐怕也买不起一块,但一看到那个“你只是为后代保存”的广告,总难免心中一动,开始琢磨什么时候中张彩票。可是,现实一点想,一块表,换不来明媚的蓝天,干净的空气,清洁的水源,安全的食物。所以我决定省下买斯沃琪和瑞士军刀的钱,在飞机上寻思,回头,该给家里安块太阳能电池板。

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