到处是水的新加坡也缺水
“电渗析” 科技 海水淡化 新加坡 西门子
众所周知，英国是气候潮湿的国家，但新加坡的年均降水量却是那里的两倍还多。因此粗心的观察者可能会惊讶这样的地方竟然会缺乏饮用水。然而新加坡是世界上人口最稠密的国家之一，人口密度位居世界第三，每平方公里达7000人之多。因此它的国土面积无法满足该国500万居民的饮水需求。
海水淡化是解决该国饮用水短缺的一种方法，但是成本较高，因此新加坡政府渴望寻求一种低成本的海水淡化方法。为此，新加坡与德国工程企业集团西门子进行的合作将有可能达此目标。西门子表示它在该岛上的电化学海水淡化示范工厂能将海水转化成饮用水，所使用的能量比之前最高效的方法节省一半还多。
海水的含盐量约为3.5%，为适合人类饮用，必须将其浓度降到0.5%或着更低。现有的海水淡化厂采用两种方法达此指标。一些工厂采用蒸馏技术--将卤水加热，并使其部分蒸发，同时冷凝生成的水蒸气，处理每立方海水所用的能量为10千瓦小时。另一些工厂则采用反渗透技术--采用有分子筛作用的专用薄膜将水分子滤掉而保留使水呈盐性的离子(如钠、氯离子)。筛化每立方水所需要的压力将消耗4千瓦小时的能量。相比之下，西门子公司系统处理每立方海水所消耗的能量仅为1.8千瓦小时，该公司希望将其进一步降低到1.5千瓦小时。
为实现此目的，西门子采用一种称作“电渗析”的工艺，将海水吸入一系列由薄膜壁组成的管道中，这些薄膜与反渗透法采用的薄膜特性略有不同。它们不是让水分子通过，而是让离子通过。而且在“电渗析”工艺中有两种类型的薄膜被采用。一种薄膜允许带正电的离子通过，另一种薄膜允许带负电的离子通过。两种薄膜交替使用，每个管道都具有这两种薄膜壁。管道系统两侧安装有两个电极，它们产生的电压将正电离子（如钠离子）向一个方向吸引，而将负电离子（如氯离子）向相反方向吸引。
处理工艺结束后，离子被集中在管道的一半空间内，生成高浓度卤水，而淡水集聚在另一半空间内。卤水一旦生成，就会被处理掉。但是淡水还要经过两次以上这样的工艺处理过程，最终将盐浓度降低到1%。
此方法效果较理想，但得到的水仍然不能饮用。因此需要采用进一步的处理工艺。除使用薄膜外，还要用到离子交换树脂。这种树脂能提高系统的导电性并允许使用多通道将盐的浓度降低到0.5%以下，最终得到可以饮用的水。
这家示范工厂自2010年12月被投入使用，还有一个规模完整的试验厂正在建设中，预计2013年竣工。如果一切进展顺利，新加坡居民将很快摆脱柯勒律治老水手那样的处境--到处都是水，却一滴也不能饮用。
卫星们，传送电力到地球吧
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从太空中收集太阳能并将其传送到地球的想法已经存在了至少70年。艾萨克·阿西莫夫(Isaac Asimov )在1941年出版的短篇小说中曾设想利用微波束将空间站收集到的太阳能传送到各类行星上。
从太空直接截获太阳光而不任由它们穿过大气层的优点是大部分光能量不会被大气吸收。通过将太阳光转换成正确的频率光波（即所谓的大气窗口之一，这种频率的光波在穿越大气层时能量损失最少），热衷该技术的人士称空间接收器产生的能量要比地面接收器平均高4倍。
但它的缺点是费用高。发射和维护合适的卫星将需要异常昂贵的费用。但如果它们是为客户专用的小型卫星，费用可能就不是问题。军事远征，灾区救援人员，远程海水淡化厂和各种科研基地都可能愿意为这种太空能源花付费用。英国萨里郡(Surrey)大学研究小组希望在未来几年时间内可能将这种能源提供给客户使用。
2011年夏天，斯蒂芬·斯威尼(Stephen Sweeney )及其同事将测试能够胜任这种工作的激光，用以取代阿西莫夫(Asimov)所指定的微波。当然，微波也能完成此项工作：2008年科研人员对微波做了实验，他们在两座相距148公里（92英里）的夏威夷岛屿之间成功地传送了大量微波能量，因此微波要穿透100公里的大气层也将是轻而易举的事。但是微波在传播过程中会扩散，要想从轨道高度在35800公里的地球同步卫星上收集能量，地面能源接收器需涵盖几百平方米的范围。而采用激光手段意味着能量接收器只需涵盖几十平方米的区域。
斯威尼(Sweeney)博士领导的研究小组与欧洲航空航天集团EADS下属的卫星与空间公司astrium合作研发，他们将在德国一座大型飞机库内对该系统进行测试。激光波束本身将由光纤激光设备产生并在一个细长的光纤核心产生激光束的相干光。这意味着产生的激光波比其它激光有更好的品质，并且直线度极高。（甚至符合正常激光束的严格标准）这样就能将能量集中传送到一个小的区域范围内。这种激光波的另一个优点是具有更高的效率和更强的能量。
以斯威尼(Sweeney)博士研发的光纤激光器为例，它产生的激光波束波长为1.5微米，这使其成为红外线光谱的一部分。此波长对应于大气中的最佳窗口之一。实验中激光束的目标能量接收器不是位于几千米以外，而是放置在了飞机库的另一端。其想法是把激光束释放到建筑空间来测试不同污染物和水蒸气对大气窗口的影响。
假如一切进展顺利，下一步该系统将送到太空中系统测试。实验可能会在未来的几年内进行，可能采用的方法是利用国际空间站的激光将太阳板收集到的太阳能传送到地球。作为测试，该实验系统将只传送一千瓦的电力。Astrium希望在未来，将有可能部署一个完整的、小规模的地球轨道电站，使其产生的电能远远超过自身太阳能电池产生的电能。
美国和日本的其它研究人员也在寻求利用微波以外的激光透过大气传输能量。美国航天局（NASA）已开始利用激光束将能量传送到远程无人驾驶飞机上。在电力转换和传送的各个阶段都会伴随效率的损失，但是随着科技的进步这些效率的损失正逐步减少。
是否Astrium的系统仍只是一种专业领域的新奇玩意，或者会成为像阿西莫夫设想的宇宙发电站那样的科技先锋，一切都还是未知数。与阿西莫夫（Asimov）同时代的科幻小说作家阿瑟C.克拉克曾幻想过地球同步通信卫星的存在，但这种幻想如今已变成了科学现实，与此相同，如果Astrium的系统实验能获成功，它也将成为将科学幻想变成现实的有趣范例。
让太阳能带你环球飞行
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巴黎航空展是世界最大最古老的航空展之一，2011年航空展在布尔热开幕，参展商们热衷于推动航空业向更节能的方向发展。除了以生物燃料为动力的飞行器和新型轻量化省油设计--如波音787梦幻飞机，还有一系列力图帮助提高飞行效率的其它装备。但这些都比不上降落在21号跑道的那只大怪鸟。
这架名为HB－SIA的飞机虽然翼展堪比一架大型喷气客机，但却只有一个微型的单人座舱。这架飞机被设计成只靠太阳能驱动。它是由一个名叫“阳光动力”的瑞士项目组制造的，这个项目组由伯特兰·皮卡德和安德烈·博尔施伯格共同发起，前者是一个曾参与首次热气球环球飞行的冒险家，而后者是一名战机飞行员兼工程师。他们在“阳光动力”的终极目标是建造一架单凭太阳能就完成环球飞行的飞机。
但HB－SIA差点就没能赶上航展的开幕。在2011年6月11日于布鲁塞尔起飞后不久，博尔施伯格就因多云天气被迫返航，因为这意味布满机翼和水平尾翼上表面的11628块太阳能板无法吸收足够的阳光将锂电池充满。且逆风和下降气流也让飞机在低于计划高度的海拔飞行从而导致能量消耗过快。不过这一次，他们决定先耍点小手段，即在起飞前先将HB－SIA连上电网充足电后再上路。
考虑到他们参加航空展的热切心情，姑且可以原谅他们的行为（而且他们也申明这次不算真正的太阳能飞行）。可这毕竟也是一次16小时的马拉松。虽然布鲁塞尔离巴黎仅300公里（186英里），但在“怪鸟”的航行中，博尔施伯格需要远离各种冷峰，还要避开许多商业航班，这意味着在飞越巴黎并获得在布尔热的着陆许可之前，他要在法国上空维持平均海拔2500米的高度到处游荡。而HB－SIA在大会上的飞行展示当然也取决于天气因素。
HB－SIA使用四台电机驱动螺旋浆。这些电机能输出最高9千瓦即12匹马力的动力--这和莱特兄弟那时拥有的驱动力基本相同。即使这四台电机同时开足马力，HB－SIA的动力也仅相当于一辆踏板摩托车。而正在进行的这一系列测试飞行，其实是为了给用来实现环球飞行的第二架飞机……HB－SIB确定最终设计方案。二号机的建造工作已经开始，它的外形尺寸将和原型机一样，但会装有一个更大的驾驶舱以提供更多的乘坐舒适性。
而这也是必须的。博尔施伯格已经展示了HB－SIA的夜间飞行能力。然而，环球飞行将经历5个阶段完成，其航线长度将至少和北回归线相等--这是获得环球飞行称号的基本要求，而且要在每块大陆上落地停留（南极洲应该不用吧）。这就意味着每次连续4－5天的飞行工作量。届时博尔施伯格将花费整个白天向上爬升同时为飞机电池充电，然后到夜里在保持动力的前提下慢慢降低高度，还要时刻注意节省电量。他也必须仔细观察天象，绕开多风带。对博尔施伯格而言最大的担忧则是在夜间遭遇逆风，因为这会拉长夜间飞行时间，且有可能造成电池在日出前耗尽的风险。
环球飞行将把太阳能驱动技术推向极限。但即使有望实现，完全依靠太阳能飞行的客运飞机也只是遥远的未来。不过轻量化构造技术，太阳能板和电池技术也在不断进步。我们知道有一架太阳能驱动的无人机已经连续漂浮了两个礼拜，还有一些电池驱动的电子教练机也正在研发之中。正如莱特兄弟向人们展示的那样，没人可以真正预见这些冒险会将我们引向何方。
太阳能发电“大降价”
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利用阳光发电的可靠方法有两种。你可以使用一块太阳能电池板从硅等半导体材料中释放电子来直接制造电流，也可以用镜子集中太阳光线，利用它们烧开水，利用蒸汽驱动发电机。
这两种方式都能进行也都很昂贵。为此，麻省理工学院的陈刚和波士顿大学的任志峰在杂志上刊登的一篇论文中提出了另一种方式。他们提出可以利用一种名为热电效应的现象--而且还建立了一个模型来证明这个想法的可行性。
热电器件并不是什么新鲜事。比如它们被用来捕捉从汽车引擎排出的废气。它们之所以能起作用是因为一般的材料，比如碲化铋，如果其中一部分比另一部分热，内部就会产生电位差，通过外部电路就可以利用这一点来导通电流。
为什么在过去热电材料没能成功地应用到太阳能上呢，这是因为如果要获得有价值的电流必须有巨大的温度差。汽车引擎里很容易达到这个温度差。但是对于阳光来说，这意味着通过某种方式集中热量，而如果你费尽力气用一堆镜子达到这个温度差，你很可能走回蒸汽发动的老套路上了，那是一种效率更高的发电方式。倘若能集中热量而不需要使用镜子的复杂步骤，虽然热电效率不高，但设备的廉价却可以弥补这点。而陈博士和任博士希望他们可以朝这个方向努力。