交叉领域
除 了 这 四 个 途 径 ， Ｈｅｌｉｏｓ 计 划 还提出了涉及基本科学和工程的 交 叉 领 域 。这 些 领 域 一 旦 取 得 突 破
将 惠 及 以 上 一 个 或 几 个 途 径 。这 里 所说的交叉领域包括 ： 催化、分离 、 理 论 、合 成 生 物 学 和 制 造 。
例如， 正在兴起的合成生物学 就 是 一 个 将 对 Ｈｅｌｉｏｓ 计 划 和 其 他 可替代能源研究计划的不可或缺 的关键角色。２００３ 年 ７ 月， 伯克利 实验室建立了世界上首个合成生 物学研究机构， 其使命是了解和设 计生物系统及其组成， 以应对自然 发生机制不能解决的一系列问题。 目前领导这一团队的是加州大学 伯克利分校和劳伦斯·伯克利 实 验 室的教授科学家 Ｊａｙ Ｋｅａｓｌｉｎｇ， 作为 合成生物学的 领 军 者 ， 他 也 是 Ｈｅ－ ｌｉｏｓ 计划的领导者之一。
实验室这样的独特组织架构能应 对 如 能 源 危 机 这 样 的 挑 战 。伯 克 利 实验室之所以能适应挑战， 也是基 于我们在生物和化学系统研究的 多年积累， 如合成光学以及在纳米 技术和合成生物学方面的工作。
即使如此， 需要解决的科学问 题和有待克服的技术挑战是如此 之多， 我们需要和其 他 实 验 室 、大 学以及商业机构合作， 才能确保将 科学和技术成果成功转移到市场。
He l ios 计划何时出成果？
Ｈｅｌｉｏｓ 计 划 聚 焦 于 革 命 性 的 研 究 方 法 来 达 到 目 标 。任 何 计 划 都 是存在风险的， 但是在做出周到安 排后， 实现可持续的能源供应计划 的 可 能 性 是 很 大 的 。我 们 不 知 道 哪 一种方法或研究计划的价值更高， 收 效 更 快 。所 以 我 们 给 出 我 们 的 管 理方案和一种能对新情况和新结
虽然眼下我们并没有所谓的 解决能源问题的“ 魔弹”， 但我 们 相 信， 利用太阳能将是减少化石能源 依赖的不二选择。 以 Ｈｅｌｉｏｓ 为 例 ， 我在下面的陈述里， 将描述令人激 动的新科技机遇， 正是这些科技进 步得以使得研究人员能够应对所 遇到的障碍， 开发出可持续利用的 替代能源。
Ｈｅｌｉｏｓ 的 最 终 目 标 ， 简 而 言 之， 就是利用阳光来产生动力燃 料 。动 力 燃 料 将 成 为 太 阳 能 中 最 值 钱 、最 有 价 值 的 一 种 。Ｈｅｌｉｏｓ 计 划 意识到达到这一目标有多种路径， 为此所需要的材料和技术攻关， 又 将 促 进 其 他 太 阳 能 技 术 的 进 步 。例 如， 一种利用光生伏打捕获阳光的 方法以后被用在了光电电池上， 这 种光电电池将二氧化碳和水转换 成 液 体 燃 料 或 氢 。科 学 家 和 工 程 师 们将合作制造出效率更高、更 经 济 的 光 生 伏 打 系 统 和 电 化 学 系 统 。这 些新系统的任何一种对其他清洁 能源的实现路径及其独一无二的 过程都将带来巨大裨益。
目前我正作为科学协会联盟 可持续能源转换研究委员会的共 同 主 席 ［ 科 学 协 会 联 盟（ ＩｎｔｅｒＡ－ ｃａｄｅｍｙ Ｃｏｕｎｃｉｌ） 是由世界各国科 学 院聚集全球最好的科学家和工程 师给各国政府和非政府机构提供 高质量建议的机构； 可持续能源转 换研究委员会所提交的报告是希 望给政策制定者们一个可充分供 给、可持续和清洁能源供应 的 科 学 建议］ 。委员会的另 一 位 共 同 主 席 Ｊｏｓｅ Ｇｏｌｄｅｍｂｅｒｇ 是 巴 西 政 府 前 科 技部长和环境部长， 他也是一位可 持续能源专家， 曾领导了巴西的甘 蔗 能 源 计 划 。委 员 会 给 我 列 了 当 今 世界面临的各种能源挑战和机遇。 我们最 终 的 报 告 应 该 在 ２００７ 年 初
世 界 需 求 时， 全 力 投 入 太 阳 能 开 发 ， 策 划 启 动 Ｈｅｌｉｏ（ｓ 太 阳 神） 计 划 。
Ｈｅｌｉｏｓ 计 划 目 前 正 考 虑 通 过 四 种 途 径 实 现 从 阳 光 中 获 取 燃 料 ， 其 中 两 种 是 基 于 活 性 生 物 系 统 ， 另 两 种 则
为 人 造 系 统 ， 涉 及 到 光 合 成 、纳 米 技 术 及 光 电 化 学 等 学 科 和 工 程 领 域 的 交 叉 。这 些 领 域 一 旦 取 得 突 破 ， 将 带
美 国 劳 伦 斯·伯 克 利 国 家 实 验室主任朱棣文
２ 世界科学 ２００７．１
科学家演讲
基因组的测序工作， 类似的还有合 成生物学的新领域， 伯克利实验室 在这些科学新领域中也是起着领 头人的作用。
从阳光到燃料的四种实现途径
He lios 计划
要回答国会和政府有关发现 新的清洁能源的质询， 我可以列举 伯克利实验室正在从事的新的名 为 Ｈｅｌｉｏｓ 的计划。该计划的目标是 向太阳要能源， 借助阳光开发可再 生和可持续供应的能源。
作为 Ｈｅｌｉｏｓ 计 划 的 重 要 组 成 ， 合成生物学的首要作用是， 创建可 跨 越 整 个 Ｈｅｌｉｏｓ 计 划 的 生 物 学 构 件。例如， 这一方法将使得利用快 速、可复制的工程化电池将可 再 生 的资源（ 阳光、纤维素、淀粉和木 质 素） 转换成燃料成为可能。
这一跨学科研究的目标是： １， 在基本了解基础上， 开发一种标准 的、可相互交换的生物构件（ 部件 、 装置和底盘） ， 以使我们能 按 常 规 构建大量的有用的生物系统； ２， 开 发能组织和分析数据、预测生 物 学 组分行为的数学模式和计算方法， 设计新的生物组分和大型集成系 统； ３， 采用最新的分子仿型技术来 更好地理解生物系统并利用其功 能。
完成， 一经付印， 我会尽快将文本 送到各位手中。
今天， 我期待着与各位分享科 学的进展， 特别是劳伦斯·伯克利实 验室在这方面的进展。此刻我们正 在做的事情将会给正在发生的世界 范围的能源与环境挑战带来希望。
挑战与机遇
有一个共识， 即人类正面临能 源 和 环 境 危 机 。全 球 的 能 源 使 用 已 经达到这样的临界点： 人类消耗能 源带来的副产品已经显著影响着 我 们 这 个 星 球 的 大 气 和 气 候 。专 家 们预测， 人类获得可持续能源的能 力越来越强烈地制约着经济和技 术的发展。受强烈需求驱动， 以及 受“ 大风暴”报告的鼓舞， 及总统 领 导的美国竞争力委员会与先进能 源倡议和能源部的新研究资助机 遇， 吸引了众多学科领域的科学家 和工程师及研究机构的兴趣， 试图 创新性地发展能源研究的新方法。 这也正是伯克利实验室正在做的 事情。
目前作为动力燃料的乙醇其 基 本 来 源 为 甘 蔗 和 玉 米 。可 能 我 们 会 找 到 一 种 方 法 来 创 建 某 种“ 产 能 ”植 物 ， 通 过 导 入 基 因 可 使 这 种 植物自我繁育、抗旱和 抗 虫 。能 有 效产能的这种作物也可充分利用 美国大农业的有利条件。此外， 通 过设计微生物， 我们的科学家希望 将纤维素更有效地转化为化学燃 料， 以更经济地获得生物质燃料并 使整个过程呈碳中性状态。
途径四： 通过光化学或光电化 学， 直接将太阳能转换成燃料
自然界的光合成机制提示， 太 阳能燃料能在单一装置中直接通 过化学方法转换制得， 但制作过程 中的能量和生物质的消耗非常大。 此项研究的目标是开发一种单一 的装置， 该装置能模仿自然界植物 从水和阳光中获取能量的路径， 而 又 比 自 然 过 程 更 稳 定 且 有 效 。伴 随 着新的纳米结构的无机、有 机 和 生 物、非生物复合材料的快速涌现， 近年来人们在理解自然光合成设 计原理方面也不断有新的认识， 这 为在工程水平上开发太阳能燃料 系 统 提 供 了 可 能 。这 一 途 径 将 在 许 多方面带来极可观且长期的利益， 但是要实现其目标需要克服的困 难也最多。
科学共同体已在试图找到可
再生能源方面作了几十年的努力。 现在是否有任何理由可以相信问 题正在趋于解决？ 答案是肯定的。 近来科学和技术方面的主要进步 已经戏剧性地展示了解决这些技 术问题的前景。由国会 Ｈｏｎｄａ 众议 员强烈支持、投资上亿的国 家 纳 米 技术倡议， 如今已在材料的合成和 控 制 方 面 得 到 戏 剧 性 的 进 步 。基 因 组领域的大规模进步导致了整个
由于光转换成电的基本步骤 在纳米尺度上不是涉及生物途径 就是涉及非生物途径， 所以在纳 米尺度上出现的控制和模拟方法， 对太阳能电池而言将带来巨大的 可能性。随着新的基于纳米技术 的太阳能电池的出现， 有可能戏 剧性地扩增太阳能电池的效能； 价廉而大容量的太阳能制造技术 将成为可能。通过控制尺寸、样 式、规模以及纳米尺度构件的连 接性能， 有可能控制系统的基本 能级， 新的太阳能电池样式的设 计亦成为可能。
途径一： 经由生物质将阳光转 成燃料
生物质是地球上最为丰富的 可再生的碳源， 而且长期以来一直 是 人 类 最 主 要 的 燃 料 。虽 然 生 物 质 均有能满足绝大部分的动力需求 的潜在可能， 但要实现利用生物质 生产燃料， 还需克服一些障碍。首 要问题是现有的农作物生物质离
最佳能 － 水产率相距甚远； 其二是 将生物质转换成燃料的成本高昂 以及效率低下。Ｈｅｌｉｏｓ 计划将应对 这两大问题。
四种实现路径
Ｈｅｌｉｏｓ 计 划 的 目 标 是 提 供 一 种革命性的方法， 据此人们可以最 大限度地获取太阳能， 这是一种能 满 足 人 类 绝 大 部 分 需 要 的 能 源 。上 图 显 示 的 是 Ｈｅｌｉｏｓ 计 划 从 阳 光 到 燃料的四种实现途径： 两种是基于 活性生物系统， 另两种则为人造系 统。Ｈｅｌｉｏｓ 计划的一大优势是所有 的过程和研究途径都能紧密整合。 以下， 我们对四种途径逐一作了分 析 ， 以 确 定 其 现 状 、需 求 及 我 们 面 临的主要障碍， 以及克服这些障碍 带来的益处。
途径三： 光到电： 纳米技术生 成太阳能电池
太阳能利用有多种可能的途 径。然而， 所有已知的潜在途径如 今都受限于两大障碍： 一是太阳能 收集、高效处理和对所获得 的 能 量
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