【墨子沙龙】移民火星不可或缺——液态阳光 | 杨培东
杨培东 | 加州大学伯克利分校教授
今天我想讲的一个反应是 ：二氧化碳+水+ 阳光 = 碳水化合物+ 氧气
碳水化合物是什么？它是人类所需要的一些重要的化学品。从能量转化和存储的角度看，就是把太阳能转化成化学能，储存在化学品当中——这对科技发展具有重要意义。
为什么要把二氧化碳用太阳能转化成有用的化学品？过去一百多年来，在人类工业化进程当中，人类利用了大量能源，而能源的主要来源是化石燃料。现在全人类在地球上的能量总消耗大约15太瓦，1太瓦是10的12次方瓦特，80%-90%都源于化石燃料。这就涉及到化工厂、发电厂等一系列环境问题，通常所说的就是二氧化碳排放问题。
全球能量总消耗
在过去一百年当中，二氧化碳的浓度一直在上升，目前二氧化碳的浓度是410PPM（PPM是百万分率）。这个浓度从数量来说很小，但它对全人类的生存环境有重大影响。二氧化碳浓度在增加，涉及到全球暖化，海平面上升，环境污染、水污染、空气污染等一系列的问题，这意味着在接下来的几十年或者一百年当中，人类生存的环境有重大转折。
现在科学界在全球暖化的问题上有两种预期。一个预期是，在本世纪末——也就是2100年的时候，全球气候温度的提高控制在2℃左右，那么到时陆家嘴还是陆家嘴。但如果还像过去一百年那样，大量利用化学能源，是达不到这个目标的，而是会导致另外一个预期的情形——在2100年的时候全球平均温度提高4℃，海平面上升引起的洪水，会淹没一部分沿海城市，上海、纽约、旧金山、伦敦，都难以幸免。
怎样能够从根本上改变全人类生存的能源结构？人类不可能永远依赖化石燃料，应该更注重可再生能源的利用。中国的经济发展非常迅速，所用的能量——电力一直在增加，接下来印度也会是这样，非洲也会是这样。所以全人类对能源的要求非常多，如果一直依赖于化石燃料，二氧化碳排放的问题只会越来越糟糕。从全社会角度来看，各个方面都必须要利用可再生能源。
可再生能源一般包括太阳能，风能，水能等。太阳能电池是生活中经常遇到的，是太阳能到电能的转化。要在太瓦级（10的12次方瓦特）的层面上解决能源转化与存储问题是一个非常困难的事情。从长远角度来看，2016年中国能源架构大部分都是煤，煤的消费比重占了60%，剩下的是核能、水能、风能，太阳能消费比重仅是5%。虽然太阳能电池技术发明了有六七十年，但是它对整个能源工业界的渗透至今还是比较微小。到21世纪40年代，可以预见太阳能消费比重将加倍。在国家政策引导下，随着经济的发展，大规模利用水能、太阳能、风能将成为可能。这样可以在2040年把煤的比重降低到30%，剩下的由太阳能、风能和水能补充。所以要想从根本上解决全球变暖的问题，就要大规模利用这些可再生能源。
怎样真正在太瓦级层面应用可再生能源？从太阳能转化的角度来看，用太阳能电池转化成电能，必须要有一个庞大的电池系统储存这些电能。在加州太阳能相当普及，但是存储上面有问题，太阳能白天发电，但电网不能支撑，晚上用电有的时候反而没电，非常不稳定。很多时候会把一些免费的太阳能向周边的地区输送，亚利桑那州在夏天会收到从加州的太阳能电池发的电。这是一个还需要从电池方面来解决太瓦级储存需求的例子。
能不能有这么一个技术，从太阳能转化成化学能呢？因为化学能的能量密度非常高，正因如此，才有利于大家开车出行等能量要求。今天就给大家讲这样一个技术——人工光合作用。
人工光合作用做什么事情呢？现在人们开车、坐飞机基本上都是用油，在这个过程当中能量被利用起来，排放二氧化碳和水到大气中。我们希望人工光合作用做的事情是把二氧化碳和水，再转化成汽油以及各种各样的化学品。二氧化碳是全球暖化最重要的物质，碳在整个过程当中是100%被循环，有这么一个系统会非常有用。
而且，化学燃料从根本上来说，都是通过光合作用存储起来的，能量最终的来源就是太阳，只不过它在过去几十万年存储在地球的表面。所以这应该是一个相对来说比较好的、终极的碳平衡方案。同时能够解决能源问题、包括二氧化碳排放的环境问题。
人工光合作用
那么怎么实现人工光合作用？这涉及到能量转化存储以及催化。这个反应从热力学角度来看是可行的，因为绿叶绿色植物每天都在做这个事情，只不过最终的碳化学品是不一样的。绿叶光合作用每天把二氧化碳和水变成氧气，碳变成了碳水化合物，而且能够利用自然界中仅400PPM浓度的二氧化碳来做这个化学反应，它的最终效率（太阳能到化学能）和人工光合作用比不是太高，但完全能够满足它生存的需要。
在实验室学习自然界的光合作用，首先要理解它的原理。在绿色植物里面，很复杂的光合作用过程可以分成四个步骤。
光合作用原理
前面两个步骤涉及到光系统Ⅰ和Ⅱ，两个都是有机高分子的集成体。光系统Ⅰ和Ⅱ捕获太阳双光子，从紫外到近红外，可以一直捕捉到波长750nm的光，整个太阳能光谱它都能够捕捉。捕获双光子之后在光合作用中产生电子，之后在催化剂的表面会产生化学反应，形成新的化学键，新的化学键往往能量密度很高。
所以除了两个光系统对双光子的吸收以外（光源捕获），它还与两个催化剂结合在一起。上图中左右两边的反应，也就是我们通常所说的半反应。左边的半反应催化剂的作用是“水氧化”，也是把水分子活化以后，分解变成氧气，这里涉及到生物催化剂。右边的半反应是“二氧化碳还原”，就是把环境当中的二氧化碳转化成碳水化合物，这里涉及到另外一个催化剂，里面有一些金属有机的活化中心。伯克利的化学家理清了绿叶里面“二氧化碳还原”的机理，并因此获得了诺贝尔奖。
把自然界光合作用的机理理清之后，就可以在实验室当中进行模拟。但自然界的光合作用，从太阳能到化学能的存储效率，一般来说只有0.5%，甘蔗能够做到0.5到5个百分点。所以在实验室当中不仅要学习自然界，而且要比它更稳定，效率还要更高。因为如果只有0.5%的存储效率，作为技术来说不可能被推广——因为人类所需要的能源是太瓦级的。
那么怎么来模拟光合作用？这个是通常所说的光化学二极管。
光化学二极管
光学二极管模拟的是一个半导体跟催化剂集成的系统，在光化学二极管里面，有两种半导体，一个是P型，一个是N型。这两种半导体通常可以用不同的半导体，不同的半导体有不同的能带，能够吸收不同的光。所以这两种半导体的功能等效为光系统Ⅰ和Ⅱ，也是双光子吸收。两个光子进去，把P型的半导体和N型的半导体活化，活化以后在P型和N型半导体的表面放一些催化剂，刚才在绿叶里面有两个半反应，有两类催化剂，一个是氧化，一个是还原，在实验室当中也是一样的。
P型半导体表面所做的反应就是二氧化碳的还原半反应，二氧化碳还原可以产生各种各样的产物，也包括绿叶里面的碳水化合物。另外一边的半反应就是水氧化，也就是绿叶里面另外一个半反应——水氧化变成氧气。所以这么一个光化学二极管，在实验室里面通过两类催化剂和两类半导体的集成之后，最终的功能是一样的。双光子吸收加上两个半反应，最终的全反应就是二氧化碳、水、加上太阳能，双光子，变成二氧化碳还原的产物——化学品和氧气。
所以，光学二极管和绿叶里面的光合作用是类似的。当然，大家知道绿叶里面没有硅、锗、氮化镓等这些半导体，都是通过有机的光吸收体和金属有机的催化剂来实现的。这属于从自然界中学习，然后到实验室里面把它抽象设计出来。
在2003年的时候，（美国）能源部在伯克利国家实验室启动了“太阳神计划”。它的目的就是向自然界学习，利用半导体与催化剂，把二氧化碳转化成有用的化学品。同时还要进行平衡，就是要做到水氧化的过程。下图可以看到一些棒状的东西，设想当中是一些高比表面积（指单位重量的物体的表面积大小。通常比表面积越大，说明物体的细度越细）的半导体，一个是P型，一个是N型。在高比表面积半导体上面负载两类催化剂，一类是二氧化碳还原催化剂，一类是水氧化催化剂。这里一直有两个半反应，还有两个光吸收体。整个系统能够做出来，就能够完成前面所需要的全反应。这只是个蓝本，真正把催化剂跟吸收体集成在一起——我们用了十来年的时间，才做出第一个集成体系。
“太阳神计划”蓝本
下图是比较普及的光阴极做二氧化碳还原反应的体系，这是一些硅的纳米导线阵列，可以用它来做光吸收体，同时它是一个高比表面积的半导体，可以在上面负载一个催化剂。
Si的纳米导线阵列
下图是一张电子显微镜拍的照片，这是一个三维的纳米导线阵列，纳米基本上是头发丝的一千到一万分之一的尺度。三维的高比表面积空间，可以在表面负载催化剂，生物催化剂也好，实验室合成催化剂也好，都可以用来做化学反应。
三维纳米导线阵列电镜照片
在2014年的时候，我们实验室第一次把整个系统集成在一个体系当中。这里面（见下图）有两个半导体、两类催化剂。一个半导体做水氧化变成氧气，另外一个引入生物催化剂，把二氧化碳变成了醋酸。这里面全反应是什么样的？就是二氧化碳加上水加上太阳能，变成氧气和醋酸，这是全反应。醋酸是非常简单、但又非常重要的化学中间体。一旦有了醋酸以后，可以利用现在已有的工业技术，转化成其他各种各样的化学品，像汽油、高分子、药的前驱体等。这是利用自然界中光合作用的全反应的原理学习，第一次在实验室的模拟材料当中体现出来的。
第一个人工光合作用系统
在2014年的时候，太阳能到化学能转化效率大概跟绿叶的转化效率差不多，是0.5个百分点。经过过去四五年时间，现在基本能够做到8%到10%，现在能量转化效率比自然界的光合作用要高得多，虽然选择性上面可能跟自然界不能比。
简单介绍一下这个体系（下图）。二氧化碳、太阳能加上水，变成醋酸，然后再把醋酸变成丁醇（下图第一个反应）。丁醇在人工光合作用研究领域当中，通常被认为是第一个做汽油的目标。因为四个碳的醇，它的蒸气压比较小，可以作为液体在管道里面输送。所以作为一个能源的载体，是汽油的代替品。
醋酸作为中间体转换为各种化学品
这样可以把醋酸变成高分子（上图第二个反应），高分子是可以做生物降解塑料的。也可以用醋酸作为中间体，把它变成这些手性分子（上图第三个反应），手性分子是在实验室里合成青蒿素的中间体。青蒿素是中国第一个发明的，中国科学家也因为这个发明获得了诺贝尔奖。所以整个过程当中，从燃料到高分子塑料到药品，可以看到这里面都是碳。塑料里面当然也是很多碳，手性分子里面也都是碳，这些碳最终都是从二氧化碳来的。通过人工光合作用，从二氧化碳转化成这些有用的化学品与高分子。
能源工业、化学工业、制药工业，所有这些化学品，其中的碳从哪里来？现有的工业都是从地底下挖出来的。人工光合作用体系能够从根本上解决这个问题，现在所有这些合成出来的新东西，里面的碳是从大气当中的二氧化碳来的，也就从根本上解决了二氧化碳排放问题和循环问题。真正能够用太阳能，把二氧化碳固定下来，把它转化成有用的化学品，包括化学燃料，包括药品，包括人类生存所需要的高分子材料。
回归到一开始，在2003年启动太阳神计划最初的愿景，就是找到这样一个合成体系，把太阳能转化为化学能然后高效存储。能够用这么一个体系利用不同的生物催化剂，把二氧化碳转化成燃料、药品和商业化学品。
2003年启动太阳神计划的时候，我们的愿景解决全球暖化的问题，把地球表面上的410PPM的二氧化碳重新利用。在这个背景当中，全世界范围内有这样一个梦想——外太空探索。伊隆·马斯克一直说要做火星移民，一直在研发新型火箭推动系统，要把人类放到火星上面去。这里面有两个重大问题，一个是怎么上去？SpaceX和Blue Origin这两个公司一直在研究如何高效的把人类送到火星。另外一个问题是人类到了外太空状态怎么生存下来？因为人类需要能源、需要化学品、需要药品、需要肥料。
奥巴马总统在美国被认为是在美国历届总统当中对科学的支持最好的一任，他推动基础科学。所以2016年他在卸任的时候，在白宫召开科学会议，向大众介绍在他任内的一些重大的科学进展，我有幸被邀请参加这个会议，在这个会议中介绍了人工光合作用。在这次会议当中，奥巴马宣布美国要在三十年内第一次把人送到火星表面上去。
2017年，美国宇航局知道了我们这么一个半导体和生物体系，能够真正做人工光合作用，于是在伯克利（加州大学伯克利分校，UC Berkeley）第一次成立了空间技术研究所，来解决人类在外太空、深太空所需要的能源和化学品的问题。这又会面临什么科学问题呢？这样一个人工光合作用的化学反应，在地球上可行，但是在外太空会是什么样？
火星上的光合中心
这涉及到环境问题。在地球上面，大部分是氮气和氧气，二氧化碳是0.04%——400PPM，人工光合作用就是为了化解二氧化碳的排放和循环问题。而火星表面的气体成分，96%是二氧化碳，它有一点点的氮气，很少很少的氧气，它的光照强度是地球上面的60%，这也是为什么人工光合体系的结果一出来，宇航局对我们的研究非常感兴趣。
这个化学反应能不能用在这儿？从化学的角度来看，是肯定可以的。在地球上，二氧化碳浓度是0.04%，暂时还不能在这种情况下用，这个浓度太稀了。现在能够做的体系，只能在纯的二氧化碳下，需要把大气当中的二氧化碳富集，才能利用。但是我们的系统放到火星的环境当中，是完全可以工作的，因为它的大气中96%都是二氧化碳，不需要再把它富集了。人类要生存，首先需要氧气，火星上大量高浓度的二氧化碳加上水（火星表面下存大量冰），再加上太阳能，能够解决氧气问题。其次，还可以把二氧化碳转化成一系列有用的东西。所以从化学的角度，这个设想应该是可行的。
很有意思的是，宇航局2017年在伯克利成立了这么一个科研中心，来试探人工光合作用在火星表面将来的应用，而火星表面二氧化碳的成分含量是谁发现的呢？是伯克利另外一个物理化学家George Pimentel，在1969年的时候发现的。1969年，大家记得最清楚的事件是美国第一次登月，在五十年前。五十年前美国也第一次把伯克利制造的红外探测仪放到了Mariner 6卫星上，这个航天探测器在火星表面环绕，通过探测火星表面的红外光谱，证明火星表面大部分都是二氧化碳。五十年前，伯克利的物理化学家发现火星的二氧化碳含量，五十年后又在讲怎么利用火星表面的二氧化碳，真正让世界第一批宇航人员到火星表面并且生存下来。二氧化碳、水和太阳能，是人类在火星表面一开始所能用的物质。
我们来粗略计算一下。比如将来去火星的第一批宇航员有6个或12个人，想像我们的系统能做到一个立方米（1000L）。以现在的的转化效率来说，能够做到350g/day/1000L，再转化到丁醇是100g/day/1000L。我们需要考虑宇航员每天、每个月、每年需要多少燃料、化学品和药品，然后进一步把这个系统优化，继续增加产量。利用尽量小的体积，来生产尽可能多的燃料、化学品加上药品，这是我们接下来要做的一个非常有希望成功的事情。
最后还有一个问题，刚才一直在说利用二氧化碳和水变成一系列的东西，但是人类生存还需要肥料来种植植物，那就有固氮的问题。这个是Matt Damon在电影《火星救援》里在施肥，看过这个电影的大家知道他是没有肥料的，他只能利用自己的排泄物做肥料。但是我们希望能够利用氮气、太阳能转化成肥料，和人工光合作用是同样的一个过程——利用一些生物的催化剂，集成到高比表面积的半导体上面。这也是我们接下来要做的事情。
所以作为一个愿景，2003年开始启动太阳能计划。这十几年中间，从在图纸上画出一个高比表面积的半导体，到集成一个人工光合作用的体系，再到第一次在实验室当中把二氧化碳、水转化成所需要的化学品，这些就是我们一步步完成的工作。我今天就讲到这里，谢谢大家！
（文中所有图片来自杨培东教授演讲PPT）
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