声空化物理及在核聚变和声化学等方面的应用.doc

科技政策与发展战略2004.7声空化物理及在核聚变和声化学等方面的应用香山科学会议第222次学术讨论会综述 声能可以集中在液体中很小的声空化气泡内（微米数量级）、导致其内部产生高温（几千度以上）、高压（一千大气压以上）、高密度（接近液体的密度）的极端物理条件。在促进化学反应方面，这种空化特性起了重要作用。而特殊设计的声空化装置可以使气泡内的极端程度加强，期望能达到热核聚变的条件。2002年3月美俄科学家联合小组在科学杂志报道了据称气泡内产生核聚变的实验，2004年3月又在物理评论E杂志发表了改进的实验结果，纽约时报也对此进行了报道。由于这一研究工作涉及未来能源问题，因此在国际科学界受到广泛关注。之前我国包括香港在内的科学家参与开展了声空化物理及声化学应用方面的探索，并取得了一定的成果，现少数单位己在开展或筹备开展声空化核聚变的实验。 为了促进我国对声空化的基础研究和应用研究，特别是为了对声空化导致核聚变的可能性进行分析、评估以及寻求促进的方案，香山科学会议于2004年4月68日在北京，召开了以“声空化物理及在核聚变和声化学等方面的应用”为主题的第222次学术讨论会。中国科学院声学研究所应崇福院士、同济大学李同保院士、中国科学院物理研究所王龙研究员和清华大学安宇教授担任执行主席。相关领域的36位专家学者应邀参加了会议。应崇福院士作了题为“声空化的特性和主要应用”的主题评述报告。会议围绕以下四个中心议题进行了交流和讨论：(1)声致发光和泡内温度的理论计算；(2)声致发光和泡内温度的实验研究；(3)声空化产生核聚变的可能性估计及促进方案；(4)声空化在声化学中的作用及为了达到实用需要解决的关键问题。 应崇福院士在主题评述报告中指出，声空化受到人们关注，就是因为它有比较广泛的有效的或有潜力的应用。声空化在化学中的应用比较系统，己经形成一门新的学科分支声化学。声空化的最新应用则是利用声空化产生的极端条件企图获得热核聚变反应。他在报告中系统地叙述了声空化的重要特征，并讨论了我国声空化研究工作面临的机遇和挑战。声致核聚变的关键问题是泡内温度和压强究竟是否达到核聚变所要求的标准，声化学方面的关键问题是如何工业化，即怎样针对声空化的特性研制出大容量或大流量的声化学反应器。这些问题都涉及到对声空化本身的基础研究，国内在近几年开展了一些此类研究，取得了一定的成绩，但面对国际上瞬变的风云，我们应迅速适当地扩大队伍和相应装备，同时应当十分慎重地选择研究方向，以便最有效地利用有限的研究力量、发挥最大的作用。 与会专家经过广泛交流和深入讨论后，对声空化相关问题提出了看法和建议： 1.国内声空化物理研究现状 (1)稳态单气泡声致发光理论方面的研究成果在国际上已有一定的影响。实验方面也有些研究基础，个别项目取得了接近国际水平的研究成果。 (2)瞬态单气泡的实验研究具有创新性，得到了一些既有趣又有意义的实验结果。 (3）多泡的研究尚未深入开展。 (4)声空化物理研究在国内开展不过几年，研究队伍和实验设备都还薄弱。 2.对Taleyarkhan等声聚变实验的评价 今年报道的结果可信度较前次有很大提高，但仍存在一些疑问，在国内有必要进行声空化聚变实验。多数学者认为声空化聚变是通常传统意义下的热核聚变，少数学者则认为可能与尚未知晓的新物理机制相关。 3.声空化在化学及医学中的应用前景 (1)声空化在化学及医学领域有很广阔的应用前景，国内的应用研究很活跃，也已获得一些研究成果。 (2）声化学目前的研究成果还局限于实验室，面临如何将大量成果推广到实际应用的难题。 4.对今后声空化研究工作的建议 (1)加强声空化理论和实验的基础研究。慎重选择研究方向，适当地扩大研究队伍和相应装备，应特别注意进行跨学科的合作。 (2)开展对于声致核聚变的探索：声空化方法可以廉价地获得高温、高压和高密度的极端条件，声聚变有希望，国际上很重视，我们国内测中子技术非常成熟，要通过多学科合作、地域合作等方式积极开展研究；借鉴磁约束聚变和惯性约束聚变的经验，给予宽松的环境去探索，同时要清醒地看到，声致核聚变作为能源还路途遥远。 (3)进一步加强超声在化学与医学等领域的应用研究，迅速启动声化学的研究成果向实际应用和工业应用转化的进程。(香山科学会议 杨炳忻)生命起源与太空生命香山科学会议第223次学术讨论会综述 香山科学会议于2004年5月810日在北京香山饭店召开了以“生命起源与太空生命”为主题的第223次学术讨论会。到会国内外专家40余人。会议聘请赵玉芬、陈均远、刘志恒为执行主席。国际生命起源研究会主席Antonio Lazcano、日本生命起源研究会主席Kensi Kobayashi、法国生命起源研究会主席Francios Raulin、印度科学院院士Mohindra Chadha，德国生命起源研究会主席Wolfram Thiemann也应邀出席会议。 一、化学与生命起源 赵玉芬院士作了“化学生物学与生命起源”的主题评述报告，从化学生物学的角度介绍了生命起源问题的主要方面，如膜的起源、t-RNA的起源，遗传密码子的起源的历史及研究现状。评述了国际及中国生命起源与太空生命研究的现状和发展趋势。她从磷元素的核化学合成开始，介绍了磷在星际云、陨石、慧星、地球及生物体系中的存在。研究表明，磷的存在极大地促进了Miller放电实验中合成的氨基酸的种类及产量、碱基（尿嘧啶）的形成、紫外线诱导的核苷的合成及脱氧腺苷的合成、多聚磷酸诱导核苷的磷酞化反应。聚磷酸盐本身就是一种脱水缩合剂，可促进水溶液中肽及核酸等大分子的形成。首先，基于磷酞化氨基酸的自聚合特性，提出了多肽起源的模型，并用这一模型解释了自然界为什么只选择氨基酸而不选择氨基酸。在这一模型的指导下，通过分子进化，找到了一个能够切割核酸和蛋白活性的最小的酶（丝组二肽），这个二肽化合物还可能是蛋白酶与核酸酶的共同祖先。在以上模型的基础上加入核苷，发现不仅有多肽生成，而且还有寡聚核苷酸生成，据此原理，她进一步提出了蛋白与核酸共同起源的学说，这一学说的提出可以解决学术界长期争论的“是先有蛋还是先有鸡”的问题。应用共同起源的进化模型，还有可能极大地推进遗传密码起源的研究。 国际生命起源研究会主席Antonio Lazcano作了“寻找生命的共同祖先：关于分子化石记录的解释”的报告。重点介绍了前生命化学如何向复杂体系特别是最原始生命（生命共同的祖先）的起源问题。他认为，生命共同的祖先的寻找及研究是揭开生命起源之谜的关键。特别介绍了DNA聚合酶型的晶体结构中的PALM区域。DNA聚合酶型是现代生物体内催化RNA单体聚合成RNA的酶，并发现在进化树的古菌、真菌和细菌的DNA聚合酶型的晶体结构中PALM区域非常保守，而且它们含有83个氨基酸残基，同源性很高。因此，他认为在生命起源初期有一个由RNA及蛋白质构成的体系（RNA-Protein Word)，在这个体系中，PALM肽负责RNA的合成及转录。由于其功能的重要性，其序列高度保守，成为现代生物提取中DNA聚合酶、RNA聚合酶及反转录酶的核心序列。研究PALM区域的合成及功能是揭开生命起源中化学进化向生命形态转化的关键。 日本生命起源研究会主席Kensi Kobayashi作了“地外复杂有机物对地球早期生命起源的重要性”的专题报告。他的报告特别强调了星际间复杂有机物在地球上生命起源中的重要意义。他在实验中模拟太空环境，发现用-射线，紫外线及高能质子照射由一氧化碳、甲烷、氨及水组成的体系中均能产生复杂的沥青状多聚物。沥青状多聚物水解后发现有多种氨基酸、尿嘧啶及胞嘧啶。 二、太空生物学 空间生命科学已经成为太空生物学的重大前沿。近年空间生物学家一方面试图通过对包括火星、月球等星球上取得的岩石和尘埃样品的监测，寻找可能存在的生命现象；另一方面利用各种航天飞行器探索生物对空间环境的反应，为人类征服太空提供理论知识和技术依据。近40年来，我国空间生命科学也取得了一些成果。这些研究成果已经向人们展示了利用无限的空间环境研究开展生物资源的巨大潜力。神舟5号返回舱的成功回收、已经启动的探月工程等也为今后我国太空生命科学的发展提供了广阔的机遇和前景。 法国生命起源研究会主席Francios Raulin作了“星际太空生物学：卡西尼项目”的报告。他介绍了欧洲生命起源研究的概况，并重点介绍了欧洲空间局(ESA)与美国航空航天局(NASA）的联合太空计划卡西尼项目的情况。该项目于1997年10月向火星发射飞行器，2004年7月初进入轨道成为火星的人造卫星。该飞行器由卡西尼和惠更斯两大探测器组成，环绕火星两周后，将于12月25日向火星表面释放惠更斯探测器。在2.5小时的降落过程中，惠更斯探测器里将利用6种科学仪器对火星大气层和表面的情况进行系统的分析。同时在历时4年的探测期间，利用宽波段遥感探测装置卡西尼探测器将通过12种科学仪器系统探测火星卫星的情况。 印度科学院院士Mohindra Chadha以国际生命起源会议为主线对生命起源的研究历史进行了介绍。从1957年在莫斯科举行首届国际生命起源会议到上届2002年7月在墨西哥Oxaca的国际生命起源会议，生命起源的实验研究取得了重要进展。从Stanley Miller的放电实验到RNA World的提出，生命起源研究越来越得到了科学界的重视。近20年来在科学及自然发表的相关论文数以百计。Miller的放电实验到RNA World等源于生命起源的概念在科学界已经众所周知。 三、分子进化与生命起源 有一位教授提出，氨基酸的进化分为三期，而不是一开始就有20种氨基酸存在。第一期，可能是57种基本氨基酸，这些氨基酸是在放电实验，辐射实验或慧星中最容易找到的，即自然发生的。第二期，是生命体系建立之后，由生物体自身合成。第三期，则在进化的过程中，在t-RNA上把别的氨基酸修饰进化的结果。根据这一原理，遗传密码并非一成不变，而氨基酸的种类也是可以继续增加的。他于1983年得到了首例的遗传密码的突变，将编码的色氨酸改换成四氟色氨酸。2004年以来世界上的其他实验室也获得了不同的遗传密码的变异，让一系列新的氨基酸品种得到了编码。这种遗传密码的可变性及可进化性还为建立所有t-RNA的进化之树提供了根据。 近年来，国际学术界有一种非常热门的RNA世界学说。即RNA不仅是遗传物质，而且还是一种可以催化反应的酶。如它可切割核酸、合成核酸、合成C-N键、酞胺键、由RNA合成RNA等。但足，RNA存在不稳定性，催化活性的低效率性等问题。今后重点研究的课题应对RNA世界模型进行修改，把RNA和多肽或其它分子放在一起作用，使RNA的活性提高及稳定性提高。 与会者对以上报告进行了热烈的讨论，特别是对RNA世界的理论展开了激烈争论。一派认为RNA由于自身稳定性差，催化活性不高，且能催化的反应有限，因此，RNA世界不可能存在。另一派则认为RNA有相当的稳定性，其催化活性虽然不高，但是有可能在多肽的参与下提高其活性。因此，大家比较一致的意见是两者协同作用也许是问题答案。 四、细胞的起源与进化 细胞重建研究提出了研究生命起源一种方法，即发现生命（细胞）起源与进化过程中留下的痕迹。贝时璋先生历时70余年的“细胞重建”学说对细胞的起源具有指导意义。因为细胞重建是个自组织过程，只要具备物质基础和合适环境，在生物体内或离体的情况下即可能产生细胞重建，这一过程应该与细胞的起源具有一定的相似性。 广大学者对贝先生的细胞重建学说给予高度评价的同时，提出了一些问题，如细胞重建的物质基础问题，重建的分子生物学机理问题等有待更进一步研究。是否细胞的起源与细胞重建在本质上有类似性还需大量工作要做。 有位教授拟从液晶的角度对生命起源进行探讨，但主要内容游离了生命起源的主题。远古时代是否存在液晶态条件及有序化的液晶是否帮助生物物质的自组装确实是一个有待探讨的有趣问题。 五、远古生命与极端条件下的生命现象 陈均远研究员在“多姿多彩的生命世界和智能生命在地球出现的第一步”的中心议题报告中指出：我们地球的生命经历了宇宙演化、原核、真核和多彩多姿的动物时代，在最后两百万年的“瞬间”诞生了智能生命。动物时代的崛起是地球生命发展史一个最重要的转折点之一。动物时代是如何崛起，何时和如何发生一直是一个令人困惑的科学问题。陈均远教授课题组对瓮安动物化石群的发现和研究挑战了“寒武纪大爆发”这一模型，将动物时代崛起的起爆时间前推到寒武纪之前四千万年。同时五亿三千万年前帽大山页岩动物化石群的研究证明动物多样性的崛起从五亿八千万年前的瓮安动物化石群到五亿三千万年前帽天山页岩动物化石群历时五千万年，为以后五亿多年历史的发展、现代生物多样性的形成、特别是智能生命最终在我们行星的出现奠定了基础。至于智能生命为什么在地球发生，为什么最终只在脊椎这一动物类型涌现？处于无脊椎动物向脊椎动物演化过程的海口虫为回答以上问题提供了线索。海口虫具有较现代头索动物文昌鱼和其他同时代早期动物类型大得多的脑，说明智能生命之所以在地球上具有脊椎这一动物类型中涌现并不是一起偶然的事件。他还提出生命的进化除来自生命自身的因素外，与时时变化的地球自然环境之间存在着不可思议的关系。地球不仅给生命提供了进化的舞台，也经常出其不意地主导了进化的过程。 极端条件下的生命现象也是本次会议的热门话题，在极端环境下生态系统的典型代表是：热泉和海底“黑烟囱”中发现了大量嗜热古细菌，它们与真细菌、真核生物的分支时间可以追溯到地球生命起源的早期阶段，热泉所代表的环境与地球38亿年以前生命起源的环境类似，生命可能发生在这一特殊的环境中。深海热液出口附近的黄铁矿（FeS）被认为与生命起源的关系密切，云南腾冲热泉的地下古热泉硅华通道也含有大量的黄铁矿（FeS)。自太古代至现今，无论是火成岩、变质岩还是沉积岩，这类由Si02和黄铁矿（还包括其它多金属矿物）形成的条带（地学中常称为“石英脉”）广泛存在，它们的成因与热液活动紧密相关。由此可推测，表层岩石圈中似“蜘蛛网”状分布的热液通道也许在38亿年（地球上迄今为止最古老的生物活动痕迹）前，甚至在42亿年（大量陨石撞击地球的结束时期）前就可能存在。 以原核生物为主体的热泉微生物群落代表了生命起源之后第一个完美的地表微生物生态系统，生命可能在40亿年前起源于地球浅层岩石圈的某处，而热泉和海底“黑烟囱”正是地球生命从地下向地表扩展的窗口，地球早期“稳定”的地下环境和地表“恶劣”环境的转换形成了一个物理和化学条件变化强烈的梯度，这一环境巨变的选择压力可能导致了旱期生命在35亿年前快速分异和进化。热泉口和海底“黑烟囱”可能不是生命起源的最佳地点，而是地球最早期微生物变异和多样性的最佳发源地。 关于耐辐射奇球菌的起源与进化的地球后生说，50年前，美国科学家Arthur Anderson注意到辐射灭菌后的肉罐头的发现。当用可杀死其周围的其它微生物的强烈的射线照射这种生长在肉上的细菌时，其外部形态不受任何影响。这种后来被取名为耐辐射球菌Delnococcus racljoduran在1万戈瑞(Gy）的辐射剂量下，只是放慢其生长速度，在17500戈瑞下也有35%的生存率，在3万戈瑞下还有些存活。后续的研究表明，DNA的双裂断裂是辐射损伤的结果，而耐辐射球菌的辐射抗性的秘密在于它修复DNA双链断裂的特殊能力。基于地球上可能不存在如此强烈的辐射环境，俄罗斯空间生物学研究中心的Anatoli Pavlov认为，耐辐射球菌可能起源于具有强烈电离辐射的火星，随着陨石落到了地球，即“火星来客说”；美国路易斯安娜州立大学的John Batt1sta则反对“火星来客说”，认为耐辐射球菌起源于地球，其超强的辐射抗性是该细菌在漫长的干旱抗性的形成过程中带来的一种附属的能力，即所谓的“协同进化说”。 耐辐射奇球菌起源与进化的“地球后生说”支持地球的进化过程中可能曾在史前有过强电离辐射环境的假说，认为耐辐射球菌起源于地球，其超强的辐射抗性，尤其是其强大的双链断裂DNA修复能力，是在这一过程中为适应环境而形成的，其进化的动力可能是被强电离辐射击得粉碎的细菌的基因组发生重组，部分重组基因编码的特有蛋白或酶构成了其DNA损伤修复的特有机制。 六、小结与展望执行主席对会议讨论的问题进行了小结，并对今后的发展提出了看法：1. 认识了我国发展生命起源与空间生命的研究的必要性和紧迫性 (1)生命起源不仅是一项基础研究课题，而且是一项具有长期战略意义的宏大课题。对生命起源和外星生命的研究，为以后发现外星生命形式，改造外星（如火星）状态甚至移民外星创造了条件。没有前期的基础研究，以后的这些战略问题的落实就会成为空中楼阁。 (2)美国、日本、欧洲在生命起源研究上已走在世界的前列，我们虽然也有一些有特色的研究成果，但整体上还存在研究队伍分散，没有一个组织，也没有得到研究经费上支持的问题。因此，要想赶上先进国家的研究水平，还需要动员广泛的力量并得到国家的支持。 (3)我国已进行了载人太空飞行，已逐步有条件跻身外空生命探索的行列。因此，开展生命起源相关研究已具备一定条件。2. 认识了我国在该领域的家底，为以后组织协作攻关，创造了条件 (1)形成了以清华大学、北京大学为主的从化学进化的角度探讨生命起源的研究中心。主要探讨生物高分子的起源、进化和于性相关问题。在国际上己有一定影响力。 (2)形成了以中科院南京地质古生物所、西北大学等单位为中心的动物种群起源研究的强势队伍。该项研究已获得国家自然科学一等奖。 (3)形成了以中科院微生物所、浙江大学等为主的极端条件下生命现象的学科群体。极端条件下的生命现象不仅为旱期生命的起源研究提供线索，而且也为工业应用提供了潜在可能。 (4)形成了以中科院遗传所，香港科技大学等单位为中心的遗传密码起源与进化的研究中心。并在非天然氨基酸的取代与人工生命合成上有一定特色。 3. 一致同意成立一个生命起源相关学会。我国的生命起源研究者散落在化学、生物学、考古等各个不同领域，不能很好地相互沟通、探讨和合作，因此很有必要有一个协会统筹以上事项。 4. 赵玉芬院士综合大家的意见，提出在四个方面推动前沿研究课题合作及诸项工作，并希望得到各部委的大力支持. (1)太空生物探测。我国已在组织登月计划，登月成功后，可带回一些月球样品，可进行诸如氨基酸等方面的分析研究；在登月的过程中，可以进行一些诸如太空条件下的生物物质的生成、转化方面的模拟实验；此外，美国和欧洲正进行火星探测和土星卫星（Titan）的探测，我们可以组织力量推动与他们的合作。 (2)细胞起源与化学进化研究。我国在化学进化方面，以清华大学为中心有自己的特色成果，同时，生物物理所在细胞重建与细胞起源方面具有自己的长期积累，可以考虑在此三者之间进行合作，并把双方的研究推入深入。 (3)极端条件下的生命现象研究。微生物所、南京地质古生物所、中科院地质所、浙江大学等单位在极端条件下的生物现象方面进行了卓有成效的研究，可以凝聚成一个课题，推动立项。 (4)动物种群起源研究。以南京地质古生物所、西北大学等为中心，已形成了动物种群起源研究的强势队伍，并在科学、自然等期刊上多次发表论文，可以组织形成一个课题，争取前沿课题立项。（香山科学会议 韩存志）2004世界高技术发展预测(下) 四、运输技术 在大海中航行的船只由于其在传播文明、维持全球贸易和平熄战争中所起的关键作用曾经为我们今天所拥有的这个世界承担着重大的责任。所以毫不奇怪，直至半个世纪前，人类总是把他们最先进的技术应用到海洋中驱动船只的任务上。在19世纪，当乘船航行已有5000年的历史时，船舶设计师建造了大型汽轮，从而迎来了显示工程才华和传奇的新时代。后来这种汽轮又被柴油机驱动的海船甚至核舰艇所取代。 目前，一项耗资7500万美元的美国海军研究计划正在把海船的推进重新推到先进技术的最前沿。在一项意义深远的计划中不仅为了未来的军舰，也为了货船、游轮甚至发电业美国海军研究署(ONR)正在测试一台5兆瓦、23吨的超导体船用马达，并已经进入全尺寸的36.5兆瓦的超导体马达的设计阶段。 超导体技术将有助于减小马达、发电机、电力传输和支撑部件的体积和重量。ONR的负责人还期望该技术会加快目前他们正在进行的将海船的机械驱动推进变为电驱动推进的工作的进程。 同样大小的功率，超导体马达比普通马达要小要轻大约70%，而且这已经把伴随超导体的所有冷却系统都计算在内了。这种节省在远洋航行中是一个巨大的优点，它意味着更多的载货空间或军械携带能力，对于游轮来说，它意味着多达20个额外的舱位。另外一个优点是，马达的效率也提高了1%或2%，这取决于载荷对于海船推进这类高功率应用来说，这一改进意味一般典型的货轮在一年的航程中可以节省几十万美元的燃料。 两种超导体马达的主要承包商都是位于马萨诸塞州韦斯特伯罗夫的美国超导体公司，它是用于马达核心部分的超导体线的制造商。花了美国海军800万美元建造的5兆瓦马达已于去年7月交货，现在被置于西佛罗里达大学先进动力系统中心的一个海湾中。在未来的9个月左右，当试验在由实时数字模拟器控制的测力器中进行时，马达将被推至极限。试验结果将用于目前按海军价值7000万美元的36.5兆瓦马达正在进行的研发工作中。 如果这些试验达到了设计者的期望，就可能为所谓的高温超导体(称为HTS)的首次可盈利的大规模应用指出一条道路。HTS是17年前发现的，并经世界媒体的大力宣扬公诸于世。虽然这些年来Sumitomo等不少的公司已制造并试验了超导传输电缆，但迄今商品销售一直很有限。 这些电缆制造商所遇到的困难，一部分是由于这种情况下的“高温”是一个颇为相对的词。这里的“高”仅仅是与1987年之前要获得超导性所必须达到的近乎绝对零度的温度相比而言的。高温超导体在高达绝对零度以上100度(即100K)的温度下完全失去其电阻而变为完美的导体。那仍然是在冰点之下173摄氏度，但与让传统超导体失去其电阻所需要的10K(-263.15)相比已经是温和的了。对于这样的温度要求来说，冷却可以靠诸如气态氦、氖或液态氮等相对便宜的方式来实现，而不一定要用昂贵的液氦。在10K以下运行的装置的冷却成本是运行于100K的装置的10倍。 然而，液氮这种有利得多的成本对于传输电缆的制造商来说仍然是一种挑战，因为电缆必须在其整个长度上被冷却。另一方面，在马达或发电机之类的超导体旋转的机器中，只有转子等产生旋转的关键部件需要用低温冷却至32K的运行温度。 回报可能是巨大的。超导马达对于几年前就开始向电力运行转变的游轮来说将是很自然的事情。根据弗吉尼亚州亚历山德里亚的海事咨询公司MSCL LLC公司提供的数据，目前游轮和货轮马达和发电机的市场已经达到平均每年4亿美元。颇有讽刺意味的是，虽然海军在为5兆瓦的马达试验付钱，超导船的推进却很可能首先在商业世界生根立足。专家认为这一发展将促使军界接受这项技术，不仅在美国，而且在英国、法国和意大利都如此。这些国家的海军都在计划将其下一代驱逐舰或护卫舰变为电驱动的。 美国超导体公司首席执行官格雷尤雷克期望在2005年上半年看到商业船上使用的5兆瓦HTS马达，这个时间大约是在收到订单后1年左右。他拒绝说出公司的名字，说这是根据与潜在用户之间的保密协定。 在航海界的机会着实诱人，但在其它市场的机会甚至更大，如工业电动马达就是一个每年12亿美元的产业。发电机也能获益，因为小的体积和重量以及高效率这些相同的优点也适用于用超导材料制造的发电机。在另一项计划中，通用电器公司正在为能源部资助的、耗资1230万美元建造一台100兆瓦的超导发电机的计划而工作。 要了解海军之所以着迷于超导技术，只须考虑典型的美国海军驱逐舰，它用7台靠烧航海级柴油的气体涡轮发动机来发电。这些发动机产生压缩气体来旋转涡轮叶片以发电。但是这些涡轮机中只有4个推动船只，为此产生的功率为7080兆瓦。这些涡轮机通过一个变速与驱动轴直接拴在一起。另外3台涡轮机产生7.5兆瓦的电力，用于舰只上配备的高功率雷达、计算机、照明、电器、导航和通信系统。 当舰只不以最高速航行时这大约占90%的时间并不需要所有的4个涡沦机来推进。一般来说，只用两台推进涡轮机来维持日常运行。但是从处于空转或运行不足状态的涡轮机而来的额外功率无法挪作它用，比如用在照明或雷达系统中，因为推进涡轮机全都与舰只巨大的驱动机械相连。再考虑到涡轮机、变速箱和推进轴所占用的空间，实在是很不上算的。舰只必须围绕着推进轴设计，而在驱逐舰上这些推进轴超过60米长。 海军对其下一代驱逐舰将是什么样子已经有了详尽的看法，它被称为DD(X)，是美国海军计划在2011年进行全电气化的一级舰只。虽然叫全电气化舰只，但气体涡轮机仍将用来发电，以便向马达和发电机供电。在DD(X)驱逐舰上没有涡轮会与推进轴直接相连。相反，这些涡轮机是让发电机旋转，以便向马达和其它所有需用电的设备提供动力。采用电推进可以让涡轮机运行在其燃油效率最高的速度上，并且根据舰只的全部电力需求来确定在任何给定的时刻要运行的涡轮机的数量。 虽然在机械功率进入推进器之前就把它转换为电力不可避免地意味着某些损耗，但这些损耗在全速时可以被限制在大约10%。而且这些小损耗能依靠上述转换带来的巨大优点得到更大的补偿，这个优点就是可以让舰上水手将电力转送到大量新的似乎只有在科幻小说中才能看到的用电强度很高的系统和武器中先进的多功能雷达、超强微波防御系统、致命性的激光器、电动钢轨炮、飞机的电磁发动和回收等。 海军尚未正式决定在DD(X)上采用超导马达，事实上他们还在权衡其它方案，比如采用永久磁铁的马达。但是超导技术的优点之一就是功率足以推动舰只的超导马达预期成本并不比普通铜绕的马达高很多。主要原因是制造成本降低了装配好的超导马达可以在海上试验前几周运抵，而不是在工厂制造之后，先行拆卸，然后运送，最后在造船的最初几个月中重新装配。一些专家说，很难看出海军的宏伟设想怎样用普通马达来实现，在这样的情况下这种普通马达每台重数百吨，而超导马达每台只有75吨，这还包括了它们的冷却硬件。 一些背景知识可能有助于理解超导马达的优点。马达把电能转化为机械能，这种转换是靠让位于一种不运动的所谓定子的结构中的转子旋转来实现的。转子和定子都是磁性的，在其周围有成对的北极和南极。转子的北极被定子的南极吸引，反之亦然，于是转子就旋转起来。当南北极接近时，一个控制系统将定子的南北极交换，而且交换的时间恰到好处以使转子不断旋转。 简单马达有两对南北极，5兆瓦的马达有3对南北极，而36.5兆瓦马达有8对转子的南北极。在船舰的电驱动系统中，转子与推进器或驱动轴直接相连。 像所有的电磁体一样，定子中以及可能在转子中的电磁体都是线圈(有些马达在转子中采用永磁体)。在一个大的普通马达中，这些线圈通常是铜的；在超导体马达中，转子的线圈是用高温超导体制造的，而定子的线圈是铜的。首选材料是铋锶钙铜氧化物(BSCCO，发音为bisco)，是一种可以靠采用气体氦的现有的闭环致冷机冷却的陶瓷。 超导转子线圈的基本优点是，在相同的截面下，它们的线能携带的电流比铜线高出100倍以上。所以在相同的空间内，这些线能产生强得多的磁场。马达中更强的磁场表示更大的扭矩或转动力。一个附带的优点是：超导马达的高效率在其大部分功率范围内是个常数。 电动马达的两个基本类型为同步马达和感应马达。在同步马达中，定子与转子的磁场直接相互作用。而在感应马达中，转子并没有固定的磁极，它之所以旋转是因为定子建立了一个运动的磁场，就是这个运动的磁场在转子中感生二级磁场。超导马达是同步机器，因为转子的电流必须是直流。同步和感应马达目前都用在商业游轮上，但是更为昂贵的同步马达占据着支配地位，因为它们的效率更高。 几十年来，从效率来看，普通电动马达相对来说改变很小。对于超导设备来说，即便将马达冷却系统的功率损耗计入，其马达效率也比普通的要好1%。重要的是，这样的高效率是常数，与海船的速度无关。事实上，对效率影响最大的是绕制转子线圈的材料，而那正是超导体发挥作用的地方。 在5兆瓦马达中，静止的定子绕组是用铜制成的，但转子绕组是用BSCCO制成的。BSCCO带被绕制成椭园形跑道的形状。之所以称BSCCO为带，是因为它薄、宽而且扁平，这种材料不是金属线那样的园柱形。 超导体马达的另一个优点是，在它们的定子绕组中没有铁齿。普通马达有这些铁齿以增强磁场并帮助约束定子导体。但是超导体马达的定子中的超强场会干脆将铁齿去掉。去掉铁齿不仅可以使马达更小、更轻，而且使它安静得多。 然而制造超导体马达有其自身独特的挑战，也许最大的挑战就是冷冻旋转的转子的线圈。美国超导体公司没有将低温冷却器置于转子本身；如果这些低温冷却器是在马达里面，它们的维护简直太困难了。相反，冷却系统是让寒冷的氦气体围绕着转子循环，通过通向近旁静止的低温冷却器的管道将热量带走。 可以把低温冷却器贮备起来，并在需要时进行更换，即便马达运行时也可以这样做。这些低温冷却器比带有两个抽屉的公文柜还要小一点，所以在海船上贮备备用件并不会占用在换为超导体马达时所获得的全部空间。 在位于马塞诸塞州代芬斯的美国超导体公司的超导线制造厂里，到处都是蓝色。BSCCO制作，开始是把5种盐类进行测量和混合，首次处理后形成一种深蓝的粉末，然后再加工成线状产品。 要充分理解BSCCO携带电流的杰出本领，只须把它们与普通铜线作一比较。一捆能通过1200安培电流的铜线，粗似人的手臂，而通过同样电流的BSCCO线束就像意大利面条似的只有9股不锈钢绳。 美国超导体公司虽然熟悉生产那些非凡的超导线，也绕制过5兆瓦设备的超导转子，但它不是一家制造完整马达的公司。所以该公司请英国的Alstom动力转换公司为它用铜线生产一种油冷定子，从而把所有的部件装备成完整的马达。 去年夏天，当这些事情做完之后，Alstom公司进行了一次简短的测试。在测试中技术员把被测试的马达与另一个马达连结起后，后者提供一个测试负载。测试的目的是要确认马达能产生预期大小的扭矩巨大的208000牛顿米。ONR的官员认为，他们所资助的这个项目尚属高风险的技术，至少存在着失败的可能。但从试验来看没有失败，这的确是一件可喜的事。目击者发现，被测试的马达比那个为工厂试验提供部分负载的普通马达更小、更安静。 自那以后，那台超导马达及其电子控制系统便从Alstom运往佛罗里达州立大学的一个实验室，在那里用测力计确认全速下的全扭矩，并在变化的扭矩和速度下模拟真实的负载。测力计是一个基于第二电动马达的试验装置，该马达与被测试的马达的旋转方向相反，就像在Alstom的简短试验中那样。在这种情况下，两台2.5兆瓦的负载马达将串接运行。 ONR的官员说，他们不愿在测试中损坏机器，但他们需要在负载时测试全转速和全扭矩，另外还要做一个退缩的机械动作，即当舰只突然放慢速度，并将动力反馈至驱动轴时将马达转变成发电机。令人感兴趣的紧张场面即将在佛罗里达称为“先进动力系统中心”(CAPS)的实验室开始，该中心由ONR资助。CAPS具有容纳各种测试设备的空间，是专为测试转速高达每分钟450周、功率高达5兆瓦的马达而建造的。这是一座崭新的三层红砖楼房，佛罗里达无处不在的蚂蚁还没有来得及进犯。 去年11月，当记者来到CAPS参观时，所看到的是在很高的测试间里安放着一台超导体马达，已作好准备，正等待着将构成测力计的两台负载马达的到来。测试设备的控制中枢实际上在二楼一间宽敞的房间里，那是一个最平静和通风的所在，实时数字模拟器就安放在这里。模拟器的磁盘发出微弱的嗡嗡声，阳光从俯瞰着下面的砂砾服务场地的巨大的窗口射入。在服务场地上变压器提供所有测试设备所需要的高压电。偶尔会有一只鸟飞扑到大玻璃窗上发出声音。 这里也是CAPS一位航空学工程师的活动场所。过去6个月中这位工程师为建立一个模拟器中的马达软件模型进行了艰苦的工作。他说他们将在实际测试中运行该模型以便对它进行评价。他将对他的要经历测试的模型进行模拟，即便这些测试是对楼下的实体进行的。模拟器将控制测力计，而测力计将为超导马达提供它在海洋中将经历的状况。 当马达运行于各种速率状况下时，模拟器读出实时试验台的数据，如扭矩、速率、相电流和电压、定子和转子的温度等。然后，模拟器也实时地计算出动态效应，如马达的驱动电流对舰船动力系统的其它部分以及实际负载扭矩的影响。最后，模拟器告诉马达驱动转换器如何产生理想的扭矩。 这就是马达为什么被认为是处于模拟的环境之中。测力计将实时模仿机械负载，所以模拟器可以被编程以便控制测力计并用它模拟舰船在水中、冰中或当推进器甚至船尾撞击岩石时重新运动起来的情况。 测试的控制中枢是由威斯康星州密尔沃基的Rockwell自动化公司提供的一套可编程逻辑控制(PLC)单元。该设备被安放在一楼的一个房间内，从它上面的两个接触屏幕上，试验操作者可以监视和控制测试装置，包括超导体马达和测力计。PLC总是处于对试验的控制地位，除非它将控制交付给实时模拟器，后者在某些情况下能代表它起作用。 迈克尔科尔曼已为PLC编程了一个月，并且他已经为PLC的接触屏幕设计了接口。从这里他可以控制定子的冷却、测力计以及许多其它易变因素。他也可以把对测试的控制传递给其他人及模拟器，或者直接让模拟器能够使马达感觉它是在海洋中乘风破浪，再看它是怎样作出反应。 美国海军所要的是能运行30至40年的马达，但是没有人有那么多时间来进行这样的试验。所以CAPS将使马达昼夜不停地运转一个月，看它表现如何。然后，海军将把马达运往费城的另一个实验室，用真正的推进器进行测试。 不过，模拟的最大好处也许是，它将让下一代的机器建造在经过证实的工程数据的坚实基础上。在目前情况下，那个下一代就是足尺寸的36.5兆瓦的马达。利用测试可以节省研究与开发费用。 航海推进的发展趋势显示，对36.5兆瓦的马达进行的模拟和测试工作都是很值得花的时间。现在大型商船不仅走向柴油电力系统，而且它们越来越多地以一种称为吊舱式的结构建造。船体内的推进是大多数人认为的海船推进方式。推进器的螺旋桨位于从船尾伸出的长驱动轴的一端，而驱动轴则与涡轮机或发动机直接或通过一个变速箱相连。在柴油电力系统内，柴油驱动一个发电机，发电机向一个马达供电，而马达则与一个较短的驱动轴连接。在吊舱式的推进中，马达是安装在吃水线之下从船尾悬挂出去的吊舱之中的。发电机和涡轮机或发动机可以比悬挂吊舱的最低层高几个船层。包括推进器螺旋浆在内的吊舱能在较宽的弧形中摆动，从而可以根据需要调整推力的方向。所以吊舱本身也起着船舵的作用。与船体内推进器从船身后端伸出不同。吊舱式的推进器是从吊舱前面伸出的，它与安置在吊舱内的电动马达的驱动轴连接。 吊舱能把适航性和流体力学效率提高到最大值，并且为乘客、货物或弹药腾出更多的空间。例如，法国为英国即将建成的玛丽皇后2号有4个推进吊舱，并具有15个左右客舱的空间，那里是原来玛丽皇后号放置推动器驱动轴的地方。造船厂估计采用吊舱式超导体推进器的集装箱船可以多运载2.5%至4%的集装箱，这大约是每454吨船重省出40吨。伊丽莎白皇后2号上的两个44兆瓦普通马达每个重约400吨；36.5兆瓦的超导体马达预期重75吨。 美国海军对吊舱有兴趣，但ONR认为功率密度是个问题。驱逐舰上的功率密度要求使得所要的马达难以放入吊舱。但是超导体提供了缩小马达的途径，从而提高了功率密度。 工业界的专家说，用于电驱动船舰系统的电动马达和发电机的全球市场在2002年为4亿美元，10年之后会上升到20亿美元。商业游轮和一些货船过去10年也转换成电推进：低速、高扭矩的电动马达直接转动推进器，后者再驱动船舰。安置在CAPS的低速(230RPM)、高扭矩(208000N.m)的5兆瓦马达正是目前推动乘客渡轮、研究船、电缆铺设船以及油船和油井设备供应船所要求的功率额定值。 在所有这些船只都准备好走向电驱动时，美国海军也想走这条路，而且更进一步，最终实际上要把所有的船上系统全都转换为电动的。一旦美国超导体公司及其合作伙伴ONR、CAPS和几家公司交付120RPM和36.5兆瓦的马达进行试验，而且一切显得井井有条时，上述的转换工作就会发生。 在运输技术中，通用汽车公司所谓的“Hywire”计划恐怕是个输家。Hywire意即氢燃料和靠电线驱动的技术。在去年秋天加州州长竞造中，阿诺德施瓦辛格对清洁、安静的燃料电池车辆的优点赞不绝口。他告诉欢呼的群众，这种技术可以让他在2010年前把加州的空气污染减少一半。 在通用汽车公司的执行组里也一定有不少喝采，那里的官员们承诺在2010年前要花10亿美元以上的资金，为氢燃料电池车辆的生产做好准备。该公司向世界宣布，它的目标是在2010年推出这种车辆后，几年后每年要销售100万辆以上。 这对于这位演员出身的政治家和通用汽车公司来说都是一种勇敢的策略。这二者之间迄今最明显的关系还表现在Hummer这种耗油的车型上，它是施瓦辛格的“座骑”，由通用汽车公司制造。到目前为止，一切都很顺利：施瓦辛格赢得了州长的宝座；他与通用汽车公司所需要做的就是实现洁净空气的诺言。而这比用清洁的汽车、蓝色的天空和清新的空气来迷惑选民要困难得多。 不太会有人不同意燃料电池车辆是汽车工业的未来，但这可能来得不像通用汽车公司预期的那么快。加州大学运输研究所所长说：“工业界觉得燃料电池是必然的趋势，但问题在于如何和何时实现。” 在燃料电池在客运车辆中取得成功之前，有两类主要问题必须解决。这两类问题中较小的是与燃料电池本身有关的：它们寿命短、脆弱且在不运转时不能忍受零下的温度。另一类问题则是围绕着与用于电池的氢燃料的生产和销售有关的“基础设施”问题。这个问题的解决办法还不明确。 氢燃料的生产必须要么靠重整天然气或石油，要么靠用电将水分解为氢和氧。然后还要让司机能得到这些氢以便给他们的车辆提供动力。最可能的情况是，一些加油站可能得翻新改造以便发售氢；估计光是加州这样的加油站就要有500至2400个，每个加油站要花25万至116万美元。 即便技术发展很快，而且基础设施也紧跟其后，对于通用汽车公司来说仍然可能会有许多不利因素，因为在这个领域还有其它的竞争者。有一些同样致力于燃料电池车辆的公司虽然没有那么声张，但至少与通用汽车公司同样精力旺盛。这些公司包括戴姆勒克莱斯勒、福特、本田、现代、丰田等。 当然，丰田公司在这一竞争中看来大半有希望赢，因为它在开发混合车辆方面取得成功。这种混合车辆将一个电动马达与一台以汽油作动力的发动机结合起来，这正是开发燃料电池车辆所需要的结构单元。 通用汽车公司还有必要将一种全混合-电动汽车投放市场。该公司没有看到它在这方面的落后关系到它在燃料电池方面的努力。Hywire计划的负责人说，虽然将燃料电池置入一辆普通车辆可以更容易更快地完成，但这种办法并不能让设计者充分利用燃料电池性能的优越性。他还说，通用汽车公司采取的途径，即按计划完全从头开始设计燃料电池车，虽然有较高的风险，但有较多的潜在优势。 但是，现在就在燃料电池车辆上下功夫是否有道理?美国国家资源保护委员会的高级政策分析员说：“如果你真的关心我们的能源安全和全球变暖问题的全国解决方案，那么近期将重点放在氢燃料电池方面只能使精神涣散，而不是解决问题的办法。按照他的分析，目前在混合型车辆和其它燃料节约技术方面的投入可以在2020年前使全美国汽车效率的平均值达到每加仑55英里，这是根据汽车的实际更换率估计出来的。而燃料电池开发方面的努力最多能导致2010年内销售10万辆燃料电池车，在2020年内销售250万辆燃料电池车。基于这些数据，采用燃料节约的途径所节省的油比采用燃料电池的方法所节约的油要高出25倍。 那么为什么通用汽车公司要下这10亿美元的赌注呢?该公司的信徒说：“因为我们在这一技术进行投入，我们将有机会创造比现在的汽车好得多的车辆，保护环境，并且在将来成为领先者。”但分析家认为，该公司在燃料电池方面的投入显然是被用来作为削弱提高燃料节约标准的政治动力的一种方法。他还认为该公司是利用这一投入来建立公司形象，而非建造真正的车辆。 在运输技术方面，超声飞行可算得人类梦寐以求的技术。设想在纽约上飞机，3小时之后在澳大利亚的悉尼下飞机这可是一次一般要把你在封闭的加压舱里禁锢整整一天的飞行。协和式飞机的超声客运航班经历了25年服务之后已于2003年10月退役，而现在超声客运飞行面临着巨大的技术和财政挑战，而且是好几十年之后的事情。然而，世界上仍有几个工程师小组致力于这项推进技术，这项技术有一天将把客机驱动至声速的几倍。 最终把世界变得更小并能在两三个小时内飞抵任何地点是一个有价值的目标。飞行速度达10马赫也就是10倍声速的飞机可以使3个小时从纽约至悉尼的飞行成为可能，也可以使从纽约至伦敦的旅行减少到仅仅半个小时这比协和式飞机的飞行时间少了3个小时。在这种超声运输的世界里，富有的执行官能到别的国家去上班，快递包裹可在全球范围几小时而非几天内送到，用于移植的活器官可在几分钟而非几小时内到达病人身边。 自1957年波音公司推出第一种商业上成功的喷气客机707-120之后，平均的空中旅行速度实际上没有一点变化。我们以每小时1000公里左右的速度飞了差不多半个世纪。目前的涡轮喷气发动机不能把飞机推到超声速，在那种速度下它们的旋转驱动轴和压缩器干脆会崩溃。 为了解决这个问题，美国、日本、澳大利亚等国的一些小组正在研究一种推进系统，它燃烧以超音速流过发动机的与空气相结合的燃料。这种发动机实质上是一个金属烟囱，不带任何移动的部件。这些所谓的超声速燃烧冲压发动机(Scramjet)理论上能把飞机推进到10马赫甚至更高的速度。弗吉尼亚州纽波特纽斯的联盟航天公司目前在与NASA、美国空军、波音公司以及其它机构合作开发和试验超音速燃烧冲压式发动机。 由Scramjet推进的飞机在起飞时像普通喷气式飞机一样，但速度要快了8倍。在达到这一目标之前，还必须解决一些重大的技术问题，如降低音梁所产生的噪声、防止发动机和空气摩擦所产生的热量将整个飞机熔化等。 可