未来生活进行时: 畅想未来新兴技术40年——百大趋势性技术汇总(下)

热映的电影《普罗米修斯》畅想了2049年人类为了追寻是谁创造了人类、自身从何而来等一系列终极问题,载着高科技巨额投资下建造的宇宙飞船普罗米修斯号离开地球,驶向了一个未知的与地球同样有相似大气层环境的外星球去追寻答案⋯⋯人类在不断向外太空探索的同时,同样没有停止过对于地球母亲的进一步探索:新能源开发,气象工程,地质研究,海上建筑,垂直农场等一系列技术里程碑,最终都只有一个目的:改善我们的生存环境,让人类得以更持久地生活在这片熟悉而古老的星球大地上。
然而,正如“航天之父”齐奥尔科夫斯基曾说过:地球是人类的摇篮,但是人类不能永远生活在摇篮里……
今天,未来生活进行时:畅想未来新兴技术40年——百大趋势性技术汇总行至第三章,探讨三大技术门类:Energy新能源技术、Space太空技术、Geoengineeringdi地球工程技术,一切,都是为了未来人类生活更美好而准备着⋯⋯此外,还会有一些对于这三期专题的一些补充和总结。

Infograhic Credits & Rights: Michell Zappa @envisioningtech.com
汉化、整理:London H @DamnDigital
美编:Wang Qi @DamnDigital
编辑:Vivian Peng @DamnDigital

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Energy 新能源技术

Inductive chargers 感应充电技术

所谓的感应充电就是非接触式充电,接插件内部设有一降压整流电路、一电磁波发射电路,其中市电与降压整流电路的两输入端相连,降压整流电路的两输出端与电磁波发射电路的两输入端相连,电磁波发射电路的输出端连接有一发射线圈,该发射线圈设置在所述充电插头内,而发射线圈的外部包裹有一橡塑绝缘层。与现有技术相比,结构简单、体积轻巧,将发射线圈设置在充电插头内,在其外包裹橡塑绝缘层,使感应充电器与外部需充电设备之间不是直接的线接触,不会存在电安全问题,使用更加安全可靠。

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Tidal turbines 潮汐发电

潮汐发电与普通水利发电原理类似,通过出水库,在涨潮时将海水储存在水库内,以势能的形式保存,然后,在落潮时放出海水,利用高、低潮位之间的落差,推动水轮机旋转,带动发电机发电。

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Fuel cells 燃料电池

燃料电池(Fuel cell),是一种使用燃料进行化学反应产生电力的装置,最早于1839年由英国的Grove所发明。最常见是以氢氧为燃料的质子交换膜燃料电池,由于燃料价格便宜,加上对人体无化学危险、对环境无害,发电后产生纯水和热,1960年代应用在美国军方,后于1965年应用于美国双子星座计划双子星座5号飞船。现在也有一些笔记型电脑开始研究使用燃料电池。但由于产生的电量太小,且无法瞬间提供大量电能,只能用于平稳供电上。

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Bio-enhanced fuels 生物增强燃料

Bio-enhanced fuels,无法找到准确的定义叙述,维基百科中以BioFuel意为生物燃料,在此提供生物燃料的简介供各位参考。

生物燃料(biofuel)泛指由生物质组成或萃取的固体、液体或气体燃料。可以替代由石油制取的汽油和柴油,是可再生能源开发利用的重要方向。所谓的生物质是指利用大气、水、土地等通过光合作用而产生的各种有机体,即一切有生命的可以生长的有机物质。它包括、动物和微生物。不同于石油、煤炭、核能等传统燃料,这新兴的燃料是可再生燃料。

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Multi-segmented smart grids 跨多层智能电网

Multi-segmented smart grids ,也即multi-tier Smart Grid,是一种具有系统结构与层次分布的智能电网系统,其基础就是目前最热门的智能电网技术。在此之前,我们来了解一下关于Smart Grid 智能电网。

智能电网(Smart Grid),就是电网的智能化,也被称为“电网2.0”,它是建立在集成的、高速双向通信网络的基础上,通过先进的传感和测量技术、先进的设备技术、先进的控制方法以及先进的决策支持系统技术的应用,实现电网的可靠、安全、经济、高效、环境友好和使用安全的目标,其主要特征包括自愈、激励和包括用户、抵御攻击、提供满足21世纪用户需求的电能质量、容许各种不同发电形式的接入、启动电力市场以及资产的优化高效运行。

推荐阅读:《未来生活进行时:无线通信智能化——无“线”智能 沟通未来

欣赏两个关于智能电网的基础宣传视频:

World Economic Forum :Smart Grid Explained

Cisco智能电网

 

 

Photovoltaic glass 光伏玻璃

曾经一期的《未来生活进行时:让自然、技术、人类生活更持续——未来生活“不插电”》 中,我们介绍过一种“有机光伏薄膜”产品,有机光伏薄膜是一层轻薄而透明的光电离子薄膜,只要有光源,薄膜就可以提供一定的电力能量。市场上有不少专门贴于手机显示屏上的光电薄膜,就是采用了这种技术,薄薄一层薄膜可以在手机的显示屏上,只要有光源,这层薄膜可以提供250毫瓦的电量给手机连续充电。

而光伏玻璃也具有同样的机理,即使带有光电离子的玻璃,能够吸收太阳能光源,从而转换成其他可用的电力能量,这种新型的材料已经推出市场,著名的玻璃制造商Corning等一系列厂商都有相应的技术和产品。

Piezo-electricity 压电

压电效应(英语:Piezoelectricity),是电介质材料中一种机械能与电能互换的现象。压电效应有两种,正压电效应及逆压电效应。压电效应在声音的产生和侦测,高电压的生成,电频生成,微量天平(英语:microbalance),和光学器件的超细聚焦有着重要的运用。

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Biomechanical harvesting 生物机械能量收集

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Nano-generators 纳米发电机

纳米发电机的原理:纳米发电机是基于规则的氧化锌纳米线的纳米发电机。(A)在氧化铝衬底上生长的氧化锌纳米线的扫描电子显微镜图像。(B)在导电的原子力显微镜针尖作用下,纳米线利用压电效应发电的示意图。(C)当原子力显微镜探针扫过纳米线阵列时,压电电荷释放的三维电压/电流信号图。

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Artificial photosynthesis 人工光合作用技术

光合作用(Photosynthesis)指的是是植物、藻类利用叶绿素和某些细菌利用其细胞本身,在可见光的照射下,将二氧化碳和水(细菌为硫化氢和水)转化为有机物,并释放出氧气(细菌释放氢气)的生化过程。人造光合作用就是人工模拟实现光合作用这一过程。

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Enernet 能源网络

Enernet是一个合成词,即是Energy Internet 能源互联网。

与信息互联网(Internet)相仿,可以设想构建一种能源互联网(Enternet),即以众多分散的可再生能源发电装置为“电网终端”,以大型发电装置(如核电站、大型水利发电)为“电网服务器”,建立分布式公共电网,实现能源共享。在以可再生能源(太阳能、风能和水电站等)电网终端为中心的区域,就近发展电动车产业,与以远离可再生能源发电终端的大城市为中心相比,一可以实现真正的零排放,二可以降低电能运输损耗,更为经济,三可以兼顾电网平衡和电动车产量二者的匹配,在电动车普及应用初期不失为一种可以尝试的模式。

 

 

Thorium reactor 天然钍燃料

钍燃料,指能制造可以能取代铀-235的核燃料铀-233的钍-232。钍资源中产量最多的矿物为独居石(monazite),一般钍含量为1~15%。首先将独居石以硫酸或氢氧化钠溶解,加以过滤、沉淀,再以硝酸溶解,最后以有机溶剂萃取出来成硝酸钍,但因在矿石中常与某些具极大捕获截面的稀土元素如Gd、Sm、Eu、Dy等并存,故需加以精炼,主要使用有机溶剂萃取法,接着使用离子交换法,以制成核子纯度级的钍。

随着核电的发展,核燃料需求量的增大,寻找其它可利用的核燃料是十分必要的。钍一直被认为是一种潜在的核能资源,各国在钍资源核能利用方面开展了大量研究开发工作。

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Traveling wave reactor 行波反应堆 行波堆

不同于现有商业化的堆,通过对抑制堆芯燃料的分布和运行,核燃料可以从一端负级启动点燃,裂变产生的多余中子将周围不能裂变的U-238转化成Np-239,当达到一定浓度之后,形成裂变反应,同时开始焚烧在原位生成的燃料,形成行波。行波以增殖波先行焚烧后增殖,一次性装料可以连续运行数十年甚至上百年。

为维持运行,堆芯燃料部分保持常规的大小质量,通过核工程师们熟知的方式利用核能:通过蒸汽发生器将核反应产生的热量带出堆芯,转换为蒸汽的动能进而推动汽轮机做功,产生电能。除最初的启动源需要浓缩铀,其他所有燃烧都可以来自天然的材料。因此不需要分离浓缩。

形象的说,行波堆像蜡烛,用火柴点燃后逐渐烧尽,并可以点燃其他蜡烛。

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Space-based solar power 空间太阳能发电

Space-based solar power (SBSP)是一种在宇宙空间收集太阳能并运用在地球上的一种概念。这方面的研究始于1970年。

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Space 太空技术

人类都有一个太空梦!

 

Commercial spaceflight 商用太空飞行

 

Sub-orbital spaceflight 亚轨道太空飞行 亚轨道飞行

亚轨道飞行是相较于轨道飞行来说的。亚轨道又被称为弹道轨道,这主要是由于它通常用于运输弹道导弹的缘故。通常认为,亚轨道飞行是在距地球35到300公里高空进行飞行。在亚轨道飞行仍然会受到地球引力的牵引,但在一定时间内(高于卡门线,失去空气阻力的时)可以体验到失重的感觉。300公里以上的飞行就被认为是轨道飞行,而国际空间站的运行轨道在400公里左右。

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Space tourism 太空旅行

太空旅游是基于人们遨游太空的理想,到太空去旅游,给人提供一种前所未有的体验,最新奇和最为刺激人的是可以观赏太空旖旎的风光,同时还可以享受失重的味道。而这两种体验只有太空中才能享受到,可以说,此景只有天上有。太空游项目始于2001年4月30日。第一位太空游客为美国商人丹尼斯蒂托,第二位太空游客为南非富翁马克-沙特尔沃思,第三位太空游客为美国人格雷戈里·奥尔森。专家表示,未来的太空旅游将呈大众化、项目多样化、多家公司竞争、完善安全法规四大趋势。

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Lunar outpost 月球前哨基地(NASA)月球基地

月球基地,是指人类在月球上建立的生活与工作区域。 在月球上建立基地,主要有以下目的:更好地开展天文观测等科学活动;在月球上建立空间发电站供地球使用;开发月球各种矿物资源;为人类向更远的目标探索提供一个落脚点;为飞向更远的行星的飞船提供建造材料甚至提供推进剂;为更远的将来人类向月球移民打前站。向月球发射一艘宇宙飞船,代价已经十分高昂,建造月球基地将花费更大的成本。因此,到目前为止,月球基地还处在一般性探讨阶段。

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Mars mission 火星探索计划

(编者语:虽然没有,但是很好笑是计划这个词是GOOGLE敏感词)

Space elevator 太空电梯

空间电梯,由於頂部直達外太空,所以又名天梯,是一种低成本将有效载荷从地球或其它星球的表面运输到空间的解决方案。

这个方案旨在建造一部称作空间电梯的运输工具。空间电梯由几个部分组成:

  • 平衡锤:平衡锤是一个比较重的物体,放置于同步轨道上方。
  • 缆绳:缆绳是一条十分长且结实的绳子,上粗下细,用于连接地面与平衡锤。
  • 货舱:货舱用于装载货物,它可以顺着缆绳在空间和地面之间上下移动。
  • 地面基站:地面基站用于将缆绳固定在地面上,并为货舱的移动提供能源,能量通过激光传送到货舱。

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Solar sail 太阳帆

利用太阳光的光压进行宇宙航行的一种航天器。由于这种推力很小,所以不能为航天器从地面起飞,但在没有空气阻力存在的太空,这种小小的推力仍然能为有足够帆面面积的太阳帆提供 10e-5~ 10e-3g左右的加速度。如先用火箭把太阳帆送入低轨道,则凭借太阳光压的加速,它可以从低轨道升到高轨道,甚至加速到第二、第三宇宙速度,太阳帆理论上最高速度是光速的2%,也就是6000km/s。飞离地球,飞离太阳系。如果帆面直径为300米,可把0.5吨质量的航天器在200多天内送到火星;如果直径大到2000米,可使5吨质量的航天器飞出太阳系。

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GEOENGINEERING 地球工程

Weather engineering 气候工程

气候工程是一个新概念。任何一门科学只有与工程结合,才能为人类创造更大的效益,才达到成熟的程度。如化学有化工,生物学有生物工程。气候学也是这样。气候工程是以控制和利用气候资源和防御气候灾害为目的的各项工程措施的总称。它将是气候学在理论与实践中开拓前进的一个重要发展领域。

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Vertical farming 垂直农场

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垂直农场(Vertical Farm)的概念最早是由美国的一位科学家Dickson Despommier提出的(Official Website),他的理念是在西雅图这样的大都市中心区域的摩天高楼中种植各种果蔬植物,所有果树植物以楼层为区域分隔而种植,并且,强调仅靠著自然环境的阳光、空气及水为续存条件,从而整一幢大楼便是一个单位的生态有机建筑量体。

垂直农场的另一个核心概念,是垂直结构的设计,目的就是将原本传统平面土地的栽植空间三维化,更有效的利用土地资源,让有限的及昂贵的市中心土地能发挥最大功效。利用72英亩的土地完成一个既可满足居住的生活机能,又可达到食物、能源、水资源自给自足的垂直农场。

这一创意一经提出,广受科研界,环境保护学界,设计学界,创新农业科学界,以及建筑,空间设计,生态学界的广泛关注和热烈响应。各个国家都纷纷有征服,组织,个人投身于垂直农业的系统项目中来。

所有作为垂直农场的大厦楼层都需要经过科学的规划和系统的种植管理,下图为其中的一例(点击图片可查看大图):

 

 

 

Sea-steading 海上住宅建设 海上家园

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Desalination 海水淡化工程

海水淡化即利用海水脱盐生产淡水。是实现水资源利用的开源增量技术,可以增加淡水总量,且不受时空和气候影响,水质好、价格渐趋合理,可以保障沿海居民饮用水和工业锅炉补水等稳定供水。 从海水中取得淡水的过程谓海水淡化。 现在所用的海水淡化方法有海水冻结法、电渗析法、蒸馏法、反渗透法,目前应用反渗透膜的反渗透法以其设备简单、易于维护和设备模块化的优点迅速占领市场,逐步取代蒸馏法成为应用最广泛的方法。

然而,目前所有这些方法都无法为人类大量提供海水净化的淡水。根本起不到任何实质的普及性价值。将海水变为淡水是个历史悠久的课题。虽然早在1954年人们就修建了大规模的海水淡化厂,但是直到目前为止,最常见的海水脱盐方式依然是半透膜反渗透或者多级闪蒸。前者利用薄膜让水分子通过而阻止其他杂质,后者则通过多次压力降低让水迅速以蒸汽的形式逸出。这两种方式的成本都比较高,而且并不适合制造成便携式的淡化装置。现在麻省理工学院和韩国的研究者们制造出一种可以用于淡化海水的芯片,为海水淡化提供了一种新思路。

详情请阅读:能将海水净化为淡水的芯片

 

Carbon sequestration 二氧化碳捕获和封存技术 碳封存

所谓碳封存(Carbon Sequestration)是指将捕获、压缩后的CO2运输到指定地点进行长期封存的过程,即以捕获碳并安全存储的方式来取代直接向大气中排放CO2。根据碳封存地点和方式的不同,可将碳封存方式分为地质封存、海洋封存、碳酸盐矿石固存以及工业利用固存等。目前,法国、德国与英国等欧盟大国正就这一技术开展小型试验,但碳封存技术还有待进一步完善。

参考来源

 

Climate engineering 气象工程

Climate Engineering是近年来国外学者提出的一项系统性研究工程计划,最初是旨在应对全球变暖而提出的用技术改善大气层和气候环境的系统性生态工程计划,该项计划包含了近十余种不同专业领域的专业性研究,是一个复杂的跨学科系统工程。

推荐阅读:

Climate Engineering

Climate Engineering——A critical review of proposals, their scientific and political context, and possible impacts

 

 

Arcologies 生态建筑

所谓生态建筑,就是将建筑看成一个生态系统,本质就是能将数量巨大的人口整合居住在一个超级建筑中,通过组织(设计)建筑内外空间中的各种物态因素,使物质、能源在建筑生态系统内部有秩序地循环转换,获得一种高效、低耗、无废、无污、生态平衡的建筑环境,例如星球大战中的死星,黑客帝国里的“锡安”和蚁哥正传里的蚁丘。现实中的案例有:德国的“三升房”、奥尔良的“诺亚”等。

参考来源

 

关于本专题的一些补充:

今年年中,来自伦敦的技术战略研究专家Michell Zappa将长时间以来所整理的所有目前我们市面上能看到的各个领域的新兴技术,包含业已实现并付诸应用的重要技术,以及处于研究阶段的攻坚技术都进行了整理,清晰地设计成交互式信息图。这张信息图将所有目前所有重要的新兴技术整理规整为11大门类:ARTIFICIAL INTELLIGENCE人工智能、INTERNET互联网、INTERFACES交互界面技术、SENSORS传感器技术、UBICOMP普适计算、ROBOTICS机器人技术、BIOTECH生物科技、MATERIALS新材料技术、ENERGY能源技术、SPACE宇宙空间技术、GEOENGINEERING地球工程技术,共包含了112项重要新兴技术。

顺便需要补充的是,图中所有技术排列所对应的年份,指代的是该技术成为普遍应用的时间点,每一类新型技术大类下的技术都是相应迭代发展的,其实此图除了年份,技术类型两大维系之类还有一条维系,是量级参考系(Quantitative Forecast),其下包含该年份对应的全球互联网网民数量(Online Population),相互联接的应用设备(Connected Devices)、以及全球人口数(World Pupulation)

另外这些技术门类不是包含了所有相关领域下的一切技术,制作者是根据调查和统计研究,对于最有机会获得大范围普遍应用和发展趋势相关性作为指标,综合技术发展速率和规律做的这一参考。

我们一共分为上、中、下三篇进行了整理和简单的介绍,在此期间,编者收到了来自不少读者的邮件,向我们提出了一些疑问,与编者进行了各种各样的探讨,其中很多是关于文中涉及的各中技术含义的讨论。在此,编者不得不承认,我们在整理过程中确实有很多前期资料准备不充分的问题,不少技术门类显然只用维基百科、百度百科的介绍是完全不足以说清楚的。要在几篇文章里把所有这些112项新技术搞清楚显然是无法做到也不合理的。

其实,做这篇专题,不仅仅是向原图制作者Michelle致敬,对于编者自己来说,更像是一次温故知新的过程。显然,正如大家看到的,在介绍很多技术的同时,编者都会带上过去的未来生活时专题文章链接作为推荐阅读。很多过去我们在专题中探讨过的内容,会在这一专题中,前后串联起来,一切显得前所未有的清晰和有了条理。

其中许多重要的新技术是我们第一次看到的,我们会在今后的未来生活进行时专题内,一一对各种技术的内容以及应用现状,应用探索和未来的普适性价值进行分享和探索。希望,今后一路,都有大家的同行,一起讨论和学习进步。

 

 

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