世界科技全景百卷書

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新型高效能源的發現

萬千書庫 主題閱讀 百家講壇 武俠大全 世界名著 　　90年代初，出現了一種過去鮮為人知的新型高效能源，即一種化學分子式為NaO·3SiO的矽酸鹽。 　　2 2 　　矽酸鹽是矽、氧和金屬（主要是鋁、鐵、鈣、鎂、鉀、鈉等）結合而成的無機化合物的總稱，在地殼中分佈極廣，是構成多數岩石（如花崗石）和土壤的主要成分，經過配料和高溫處理等，可以將它加工製成陶瓷、耐火材料、水泥、玻璃和搪瓷等工業用品，也用來製造高溫材料，從來沒有人想到過這種矽酸鹽竟蘊藏著豐富的能源，1千克這種矽酸鹽能釋放850萬千卡的熱量，等於燃燒1000噸重油釋放的熱量。說起這種高效能源的發現，還有一段有趣的故事。 　　約20年前，前蘇聯一位叫A·庫利科夫的工程師在一個工廠推廣一種先進技術時，發生了一起意外的爆炸事故，因而受到指責和處分。當時，他發明的一項高速切削鋼的熱處理技術正在該廠推廣。按計劃，他需要使用一個大型加熱爐，但當時這台僅有的爐子老是有生產任務，他只能在別人中午休息時插空做試驗。一天中午，庫利科夫趁工人都去食堂吃飯的工夫，把一種矽酸鹽裝入爐子中試驗，誰知不一會兒的時間，就听轟的一聲巨響，爐子被突然炸毀。 　　事故的責任者當然就是庫利科夫了，但他感到委屈，他不知道自己到底做錯了什麼事，也不清楚爐子為何爆炸，因為矽酸鹽本身就是可以用來製造耐高溫材料的工業原料。為了洗清自己的“不白之冤”，他決心進一步研究，搞清楚這個問題。 　　庫利科夫想，爆炸是需要能量的，這麼大的爐子被炸毀，裡面的能量是哪兒來的呢？於是，他用那次爆炸中用過的矽酸鹽連續作了5年的試驗，結果發現，只要在爐中裝進那種矽酸鹽，每次肯定發生類似的爆炸，這說明，矽酸鹽是引起爆炸的根源，能量就來自這種矽酸鹽NaO·3SiO。他還發現， 　　2 2這種矽酸鹽並不是一加熱就爆炸，而是每當加熱到一定溫度時，矽酸鹽才突然釋放能量發生爆炸，而其能量之大令人吃驚，竟是重油的100萬倍。 　　當然，矽酸鹽的這種巨大能量，如果僅僅停留在能夠引起巨大的爆炸上，那是無法加以利用的，它必須成為可以控制的。為此，庫利科夫設計了一種矽酸鹽釋放能量反應器，反應器能夠控制釋放出的熱能，而不再發生突然爆炸。1991年，庫利科夫宣布，他可以用這種反應器把水管中的水加熱到600℃的溫度，使水蒸汽達到300個大氣壓的壓力。他宣布，已準備用這種高溫高壓蒸汽驅動汽輪機進行發電。 　　現在，庫利科夫已成為一名技術科學博士，並領導一些研究人員建造了一個用這種新能源作燃料的矽酸鹽熱電站。矽酸鹽的熱效率是汽油的1000倍。比如，一架大型的圖-154飛機要裝39噸航空汽油，如果用這種高效矽酸鹽燃料，只要39千克就足夠了。 　　庫利科夫發現的這種高效能源矽酸鹽，在地球上的儲量極其豐富，而且能再生，此外也沒有像核燃料一樣存在放射性污染的問題。因此，這種新型能源完全有可能成為石油煤炭等礦物燃料和核燃料的替代能源。 　　但庫利科夫指出，就像不是所有的元素都能產生自發的原子裂變能量而只有結構複雜的重元素（如鈾等）才能自發裂變一樣，矽鹽酸也只有在結構相當複雜時才會發生高效能量釋放過程。因此，只有高模數的複雜矽酸鹽才能成為高效能源。而這種高模數矽酸鹽在地殼中所以不會發生爆炸，是因為溫度條件和臨界質量這兩個條件不具備。這有點類似於原子彈爆炸時需要核燃料的重量超過臨界質量，氫彈爆炸也需要用原子彈爆炸產生的高溫引爆一樣。 　　所以，庫利科夫建立的高效矽酸鹽釋放能量反應器中，也需要在矽酸鹽中添加一種反應劑。例如無氧矽化合物等。 　　沼氣 　　在前蘇聯作家弗·梅津米夫著的《世界奇蹟之謎》中，記述了19世紀一位護林員親眼目睹的一件“怪事”。有一年夏天，從一個沼澤的深處突然冒出來一根高達20～30米的大水柱。當它開始下降時，周圍50米的地方內下了幾秒鐘的“暴雨”。 　　經過調查後來弄清楚了，原來這是沼澤底部的沼氣從淤泥中衝擊出來造成的景象。沼氣是植物在沉積層腐爛過程中產生的氣體。在一般情況下，這種氣體不會突然“發怒”而衝出，只是時不時地從死水坑底向水面上冒出一個個氣泡，然後就無聲無息地消失。但是，當沼氣在死水坑底積得很多，而又無處可排泄時，就會像爆炸似的突然噴出來。 　　沼氣自古就出現在沼澤、河底、湖底、池塘、污水池等厭氧環境中，是植物等有機質在微生物的作用下腐爛、分解出來的一種可燃氣體，由於通常出現在沼澤地帶，就俗稱沼氣。 　　古人不知道沼氣形成的原理，就以為是水底鬧鬼。例如，那位護林員看到的那個噴沼氣的沼澤，當地人把它叫做“撒伊旦湖”，撒伊旦在伊斯蘭的神話傳說中是惡魔的意思。而“撒旦”則是專門指鬼而言。 　　在有文字的歷史記載中，說1896年在愛爾蘭出現過一次強大的沼澤噴氣現象，即那裡有一個大紐特莫沼澤，曾噴出強大的污流，飛濺到好幾公里以外，淹沒了所到之處的一切東西，並把附近的一座房屋淹埋在污泥中，使住在房裡的人被活活悶死。 　　也是19世紀，在俄國的奧涅湖附近，也出現過一次沼澤大噴射現象。在一處污流遍地的沼澤草地上，一連幾天都能看到一個高達4米的噴泉，但噴泉中都是污水、淤泥和沙子。 　　這些奇蹟都是沼氣創造出來的，只是那時人們還沒有搞清它形成的原因，因此感到神秘。 　　後來，科學家用一種底部是喇叭形狀，頂部有一細管的玻璃儀器，罩在冒泡的水面上，使冒出的氣泡沿著頂部細管，通到橡皮管中，收集起來，然後對收集到的氣體加以分析，才知道沼氣是一種可燃的甲烷氣，並分析了沼氣的生成原因。然後用人工方法製造出沼氣，證實了沼氣是植物在微生物作用下腐爛時產生出的可燃氣體的正確結論。 　　我國生產利用沼氣的歷史，可以從1929年在廣東省汕頭的“國瑞瓦斯沼氣公司”成立算起。但是因時局動盪等多種原因，解放前沼氣的發展時續時斷，進展緩慢。 　　1936年，我國著名科學家周培源曾在江蘇宜興縣建造了一個水壓式活動蓋埋入地下的沼氣池，用製造出來的沼氣燒飯和點燈。浙江省諸暨縣安華鎮也在1936年建造了沼氣池，將沼氣引到各家供居民作照明用。1937年，河北武安縣在室內建了一個沼氣池。據傳，直到解放後，這個沼氣池一直產生著沼氣。 　　到70年代，沼氣在我國農村得到大力發展，它不僅大大緩解了農村缺少燃料的困難，而且對淨化農村的髒亂環境起到了積極作用，對農村生產的促進作用也特別明顯。截止到1985年，我國農村就建立了700多萬個沼氣池，居世界第一。而且以後年年在增加。 　　沼氣為什麼會在農村如此迅速的推廣呢？原來，農民只要把人畜的糞便、農作物的秸稈和各種有機質放進沼氣池，讓它們腐爛發酵，就能產生可燃燒的甲烷氣體。農民不僅可以用沼氣點燈做飯，還可以用它作燃料代替柴油、煤油開動拖拉機、抽水機、碾米磨面機、飼料粉碎機；還可以用來烘乾農產品，是一種很方便的能源。 　　北京市大興縣的留民營村，善於利用沼氣，1984年被聯合國環境規劃署命名為“中國生態農業第一村”。留民營村的領頭人張占林，1987年又被聯合國環境規劃署授予全球環境保護先進人物。　　原來，留民營村每家每戶都把有礙環境衛生的人畜糞便、農作物垃圾及有機質全部放進沼氣池生產沼氣，而沼氣池中的發酵液和殘渣經過漚制，又都成為很好的有機質肥料。因此留民營村1200畝糧食作物及200多畝大棚蔬菜，從來不用化肥和農藥。既提供了能源，又淨化了環境，還得到了優質的有機肥料，提高了農產品的質量。國外許多人曾多次來留民營村化驗他們種植的蔬菜和稻米，其中不含任何有害人體的化肥和農藥殘留物，被稱為最乾淨的稻米和蔬菜，無愧為“中國生態農業第一村”。留民營村應用沼氣和生態農業的經驗在國內外的廣大農村中迅速得到了推廣。 　　石油是工業的血液 　　石油是由一種生油母質經過長期的地質作用和生物化學作用而轉化形成的礦物能源。石油是以液態碳氫化合物為主的複雜混合物。其中碳佔80％～90％，氫佔10％～14％，其他元素有氧、硫、氮等，總計佔1％，有時可達2％～3％，個別油田含量可達5％～7 ％。 　　石油多分佈於低地和盆地，如山間盆地、濱海及近海大陸架等地區。世界石油資源主要集中在中東、非洲、原蘇聯、美國、南美、西歐和印度尼西亞沿海地區。世界石油消費量增長很快，1960年只有10．5億噸，1986年就增加到38．7億噸。 　　石油在工業生產中是一種重要的燃料動力資源，它的許多優點是其他燃料所無法比擬的。如在物理性質上，石油是可以流動的液體，比重小於水，比其他燃料容易開採；佔有的容積小，容易運輸。同時，與一般燃料比較，它的可燃性好，發熱量高，1千克石油燃燒起來可以產生1萬多大卡的熱量，比煤炭的發熱量高1倍，比木柴的發熱量高4～5倍。此外，石油又有易燃燒、燃燒充分和燃後不留灰燼的特點，正合於內燃機的要求。所以，在陸地、海上和空中交通方面，以及在各種工廠的生產過程中，石油都是重要的動力燃料。在現代國防方面，新型武器、超音速飛機、導彈和火箭所用的燃料都是從石油中提煉出來的。 　　石油除用作工業燃料外，還是重要的化工原料。現代有機化學工業就建立在石油、煤炭、天然氣等資源的綜合利用之上。從石油中可提取幾百種有用物質，其經濟價值遠遠超過作為燃料燃燒的經濟意義。石油化工可生產出成百上千種化工產品，如塑料、合成纖維，合成橡膠、合成洗滌劑、染料、醫藥、農藥、炸藥和化肥等等。石油產品不僅在民用中佔有重要地位，現代化的工業、農業、國防都需要石油及石油產品，尤其對工業意義重大。　　由於石油具有優越的物理、化學性質，作為能源，有很高的發熱量；作為原料，不僅產量大，而且廣泛用於國民經濟和各個部門。石油化工產品幾乎能用於所有的工業部門中，是促進國民經濟和工業現代化的重要物質基礎，現代化的工業離不開石油，就像人體離不開血液一樣。因此，石油被稱為“工業的血液”。 　　煤是工業的糧食 　　煤炭是一種可以用作燃料或工業原料的礦物。它是古代植物經過生物化學作用和地質作用而改變其物理、化學性質，由碳、氫、氧、氮等元素組成的黑色固體礦物。 　　煤作為一種燃料，早在800年前就已經開始。煤被廣泛用作工業生產的燃料，是從18世紀末的產業革命開始的。隨著蒸汽機的發明和使用，煤被廣泛地用作工業生產的燃料，給社會帶來了前所未有的巨大生產力，推動了工業的向前發展，隨之發展起煤炭、鋼鐵、化工、採礦、冶金等工業。煤炭熱量高，標準煤的發熱量為7000大卡／千克。而且煤炭在地球上的儲量豐富，分佈廣泛，一般也比較容易開採，因而被廣泛用作各種工業生產中的燃料。 　　煤炭除了作為燃料以取得熱量和動能以外，更為重要的是從中製取冶金用的焦炭和製取人造石油，即煤的低溫乾餾的液體產品——煤焦油。經過化學加工，從煤炭中能製造出成千上萬種化學產品，所以它又是一種非常重要的化工原料，如我國相當多的中、小氮肥廠都以煤炭作原料生產化肥。我國的煤炭廣泛用來作為多種工業的原料。大型煤炭工業基地的建設，對我國綜合工業基地和經濟區域的形成和發展起著很大的作用。 　　此外，煤炭中還往往含有許多放射性和稀有元素如鈾、鍺、鎵等，這些放射性和稀有元素是半導體和原子能工業的重要原料。 　　煤炭對於現代化工業來說，無論是重工業，還是輕工業；無論是能源工業、冶金工業、化學工業、機械工業，還是輕紡工業、食品工業、交通運輸業，都發揮著重要的作用，各種工業部門都在一定程度上要消耗一定量的煤炭，因此有人稱煤炭是工業的“真正的糧食”。 　　我國是世界上煤炭資源最豐富的國家之一，不僅儲量大，分佈廣，而且種類齊全，煤質優良，為我國工業現代化提供了極為有利的條件。 　　大力開發水電 　　人類最早利用的能量資源是水力，但水力作為現代的重要能源，大規模地被利用來發電，還是20世紀中期以來的事。水力發電 ​​有許多優點，因而發展迅速。目前，水電是僅次於煤炭、石油、天然氣等化石燃料的主要能源之一，約是核電的25倍，約佔全世界發電總量的23％。 　　與其他能源相比，水能發電具有許多優點：　　一是水能是再生性能源。與煤炭、石油、天然氣相比，只有水力是可以反複使用的再生性能源。它一經開發，便可川流不息地為人類提供能量。而煤炭、石油、天然氣等礦物能源，它的形成需要很長很長的時間，用一點就少一點，而且煤炭、石油、天然氣資源用途廣泛，是使用價值很高的工業原料。如果大力開發水電資源，就可以節約更多的礦物能源，為工業生產提供充足的原料。 　　二是水能是最乾淨的能源。煤炭、石油等礦物能源用來發電，在其燃燒過程中要排放出大量的有害物質污染大氣和環境，如一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫、煤塵、重金屬微粒等等，同時還要排放大量的灰渣，這些物質不但污染環境，而且危害人體健康，已成為一個嚴重的社會問題。利用水力發電 ​​，不會排放任何有一絲危害環境和人體健康的物質。因此，開發水能，對改善環境、美化自然界都有重要作用，水能是一種最理想的能源。 　　三是水能是一種最廉價的能源。建一座同樣規模的水電站與火電站，投資相差不大，但水電站投資回收快，水電站每運行三四年所得的收入，就可再建一座同樣規模的水電站。 　　四是開發利用水力資源可獲得綜合效益。建造一座水壩，既可用來發電，又可以發展水利事業，還能滿足防洪、灌溉、航運、養殖、工業供水，以及生活用水等需要。 　　由於開發水電具有上述許多優點，大力開發水電資源已成為大勢所趨。一些先進的工業國家如美國、日本、英國、法國、意大利等都非常注意開發水力資源，已利用的水力資源達到開發量的40％～95％。 　　大力開發水電，對我國的經濟建設具有重要意義。我國的主要能源是煤炭，大部分分佈在華北、西北地區。工業發達的東部沿海地帶和南部地區非常缺乏，石油分佈也是北多南少，大力開發西南（佔水力開發總量的61．4％）和中南（佔水力可開發總量的17．8％）地區豐富的水力資源對改善我國南北地區的能源平衡，減輕鐵路運輸的負擔極為有利。我國是一個水力資源得天獨厚的國家，水力蘊藏量6．8億千瓦，居世界第一位，但到目前為止，水力發電 ​​只佔全國發電量的17％，少於世界平均水平（23％），水力發電 ​​僅佔可開發利用水力資源的5％，遠遠低於世界上許多國家。大力開發水電已成為我國能源政策的一項重要方針。