能量

吃饭的时候有一个问题浮现在我的大脑中,我们通过摄取食物提供生存的能量,而所有食物的根源来自于植物,以当今的科技水平,是否可以脱离植物,人工合成所需要的食物呢?

人类需要从外界获取的物质可分为几类,糖类,无机盐类,氨基酸,以及一些维生素之类的小分子。其中所需的钠钾离子之类的无机盐类是广泛存在于地球之上的,剩下的几种,糖类是提供能量的,需要仔细讨论。

普通存在于人类体内并起着重要作用的是葡萄糖,葡萄糖是一种单糖,分子式为C6H10O6,植物通过光合作用来合成,但并不是直接以葡萄糖的形式存储下来。

能量来源于何处?归根结底,一个答案,太阳。上帝把这个核反应堆放置于距离地球1.5亿公里以外的地方,通过电磁波把能量传递到自由空间,而地球所接收的极小截面提供了所有生物赖以生存的能量。

直接利用阳光的能量是不明智的,因为单位面积内的光线的能量密度很低,必须用一个特别大的接受装置才能提供发动机的动力。而且晚上没有阳光。

其实在能量利用上,最大的问题不是如何产生能量,而是如何有效的储存能量。

我们通常意义上讲的储存,一般都是通过分子间的电势能来实现的,比如,氢气燃烧释放出能量,这个过程涉及到跟氧气结合形成势能更低的水分子。相对的说,能量可以储存成氢气的形式。葡萄糖也是一样,通过跟氧气反应结合成二氧化碳和水,降低了静电势。显然,葡萄糖由于本身就是多个分子结合的状态,碳原子质量也比氢高很多,所以储存的能量密度比氢气低许多,但是氢气是气态,也容易爆炸,不易安全的储存使用。

覆盖整个地面的植物,每天都通过光合作用,把阳光中的能量固定存储下来。储存形式多种多样,比如纤维素,淀粉。

有个有趣的事,看一下羊肉串,我们为什么要把它串起来吃呢?因为一个一个的不容易烤,拿起来也不方便,串到一起就方便多了。淀粉和纤维素也是如此,都是葡萄糖这些简单的小分子成千上万的串联起来。这样能量就储存在其中,运输和使用就很方便了。

可以看一下我们人类储存能量的一种形式,存在于肝脏内部糖原的结构。

让人不得不惊叹生物是伟大的编织者,把一个个简单的分子组装成复杂的图样

现在量产葡萄糖的方法是把淀粉之类的大分子链打断,也许单分子的葡萄糖我们可以也从无机界人工合成,但那肯定要耗费大量能量。要是再把这些单糖分子组装成淀粉纤维素之类的大分子链,几乎是不肯能。其实关于开头问题的结论很简单,谁都能凭直觉给出,人类目前还是无法脱离植物产生食物,换句话说,不能直接通过阳光生产面包。

从能量密度的角度来看,目前可行的储存能量方式,氢气是最高的,每千克可以达到123百万焦耳,汽油可以达到46,而前面讨论的糖类只有17左右,这就是为什么现在汽车广泛使用石油作为燃料的原因。

我们使用的手机里的锂电池,能量密度只有0.8左右,要提升它的续航时间,也许可以考虑使用汽油或者氢气,但是这些能源利用起来需要沉重的反应装置比如内燃机,所以就限制了他们在手机这些便携设备上的使用,如果能够找到轻便的释放方式,也许我们的电池技术就会有突飞猛进的发展。

现在鼓吹的很火的新能源汽车,比如tesla,其实就是一大堆锂电池带动电动机,显然锂电池的能量密度限制了它们的最大行驶里程,不过使用油电混合动力的方式可以很大程度上弥补这一点,比如大众XL1。

从产业的角度看,能量的储存方式是改变产业结构的基本力量。人类的文明程度几乎可以用使用能源多少来衡量,在生活的每个角落,电视机,冰箱,燃气灶,汽车,手机……随处一瞥便能看到能源需求。

更高的能量密度和更好的能量释放方式,可以带动电池和发动机的变革,所有智能手机用户都对电池使用时间表示过不满,石油危机也导致汽车产业对新能源的尝试,需求不可谓不强。

单从化学能方面我们很难获得比石油更高的能量密度,除非基础物理有进展可以和平释放原子能,但是上帝把太阳放到离我们如此远的地方仅仅让世界以分子间电势能的形式运行应该有一定道理的,就像大人把刀枪放在远离小孩子的地方一样。

对于能源枯竭,最好的解决方案也许是从阳光来合成石油,比如利用基因工程的方法,改造利用某些植物,合成相应生成石油的原料,虽然我们很难获得比石油更高的储存能量方式,但可以通过寻找再生石油的方法来解决耗尽的危机。

理论上说,太阳的能源利用率很低,大部分都被反射和吸收后热辐射出去了。有句话叫开源节流,对于能源节流意味着文明倒退,开源才是注意力的重点,要尽可能的有效利用阳光。

个人认为,解决能量问题,应该把更多的精力花在生物学和基因工程上。