2024年十大气候科技新闻：碳捕获、太阳能电池板回收和清洁能源发电

Eakarat Buanoi/iStock

在2024年，应对气候变化的技术在云端之上的发电风筝中翱翔，在海洋中穿梭以隔离碳，并渗透到地球中以新的方式为农业科技提供动力。这篇文章汇总了过去一年中十大气候技术故事，供您了解。

气候技术是一个快速发展的跨学科领域——IEEE Spectrum杂志也非常期待在2025年将能够为大家撰写哪些关于这些技术的故事。

1. 如何使建筑物防电磁脉冲（EMP）：https://spectrum.ieee.org/electromagnetic-pulse

Stuart Bradford

今年北极光的那些令人惊叹的景象是来自太阳风暴的危险电磁脉冲（EMPs）的先兆。电磁脉冲可以摧毁电子系统并使电网过载，导致停电。它们不仅由太阳活动产生；人类攻击者也可以产生电磁脉冲，例如通过在大气层高处引爆核武器。幸运的是，像田纳西州橡树岭国家实验室的Yilu Liu这样的研究人员正在研究这个问题。在与IEEE Spectrum的问答中，她解释了电磁脉冲的危险以及她的实验室如何设计保护内部敏感设备的建筑物。

2. 放风筝来实现集装箱大小规模的发电：https://spectrum.ieee.org/micro-wind-power-kitepower

Kitepower

在风力涡轮机不可行的偏远或难以到达的地区，有了一种新的可再生能源发电选择：风筝。位于荷兰的风筝动力公司（Kitepower）正在致力于推行一种名为“鹰”（Hawk）的风筝发电系统。当风拉动风筝的地面系绳时，就会产生一种力，这种力被转化为电能。这种60平方米的风筝可以飞到350米的高度（是风力涡轮机高度的两倍多），以捕捉更强劲、更稳定的风。风筝配备一个400千瓦时的电池，整个系统可装入一个标准的海运集装箱。风筝动力公司希望将“鹰”系统送到目前依赖柴油发电机的偏远社区，为它们提供一种比风力涡轮机占地少得多的更清洁能源。

3. 热泵适应寒冷气候：https://spectrum.ieee.org/cold-climate-heat-pump

Trane Technologies

从历史上看，热泵在寒冷环境下运行一直比较困难，大多数热泵在约4°C时就会降容运行，在约 -15°C时就无法工作。但现在，随着压缩机的改进，热泵制造商表示，他们拥有了在严寒天气下与在较为温和的冬季温度下一样高效为家庭供暖的技术。热泵通过转移和压缩沸点极低的流体来工作。压缩机是提升由流体转化而成的蒸汽的温度和压力的部件，因此压缩机电机速度的提升以及注入更多蒸汽时机的改进，使得热泵在寒冷温度下效率更高。美国能源部与加拿大自然资源部正在举办寒冷气候热泵技术挑战赛，八家热泵制造商正在测试他们的热泵，目标是即使在 -15°C时也能全功率运行。

4. 农业物联网系统通过土壤传输电力：https://spectrum.ieee.org/smart-agriculture

Tennessee Tech University

智能农业物联网设备通过测量全球定位系统（GPS）坐标、湿度水平、温度、酸度、养分等，帮助农民全面了解他们土地上正在发生的情况。问题在于要为那些分散的传感器提供足够的电力。但如果我们利用已经连接所有设备的东西会怎样呢？没错，就是土壤。田纳西理工大学的研究人员设计了一种通过地面传输电力的方法。研究人员的2英亩测试网络以60赫兹的频率传输电力，每天仅消耗0.1千瓦时。如果他们按零售价支付该电力费用，每天只需花费一美分多一点。

5. Ebb Carbon公司计划开展海洋地球工程计划：https://spectrum.ieee.org/ocean-geoengineering

Ebb Carbon

Ebb Carbon公司是一家位于加利福尼亚州的初创企业，即将开始从空气中清除数百吨二氧化碳。他们位于华盛顿州安吉利斯港的二氧化碳清除工厂，名为马科马项目（Project Macoma），将采用电化学工艺把海水分解为酸性和碱性部分。酸性水流将被中和或运走，碱性水流将被释放到海洋中。在海洋里，它将与二氧化碳混合形成碳酸氢盐，这是一种稳定的碳储存方式。随着该项目从海洋中捕获并储存二氧化碳，海洋将能够从空气中吸收更多二氧化碳。尽管许多海洋科学家对像这样的海洋地球工程项目持怀疑态度，但美国能源部已经制定了一个1亿美元的“碳突破”（Carbon Shot）计划，该计划将资助二氧化碳的清除和储存，包括在海洋储库中的相关工作。

6. 一种清洁、环保的太阳能电池板回收方法：https://spectrum.ieee.org/solar-panel-recycling-2668499710

Luigi Avantaggiato

2025年，数百万吨的太阳能电池板将达到使用寿命极限。它们含有硅、银和铜——这些材料非常珍贵，但很难从硬件中提取出来。目前，最佳的太阳能电池板回收工艺能够回收90%的这些金属，但成本高昂，而且经常使用有毒化学品。初创企业9 - Tech公司拥有一种回收工艺，能够在不使用有毒化学品或向环境释放污染物的情况下回收多达90%的材料。9 - Tech公司试点工厂的工人手工拆除太阳能电池板的铝框、接线盒和钢化玻璃。然后将剩余的材料送入400°C的熔炉中，产生的污染物用过滤器收集。一系列的筛子将玻璃和硅分离，然后硅被送入酸浴槽，在那里超声波将硅和附着的银分离。这家初创企业的创始人表示，该工艺成本高昂，但回收的材料质量很高，这应该有助于抵消成本。

7. 用微波为飞机提供动力并非最疯狂的想法：https://spectrum.ieee.org/electromagnetic-waves

McKibillo

如果我们想要航空业完全脱碳，我们就得打破常规思维。Ian McKay描绘了一个可能的未来：我们利用体育场大小的微波阵列向飞机上的天线传输能量。这些微波能够穿过云层，而且不会伤害乘客，尽管它们会使空气显著升温，可能会对附近的鸟类造成伤害。虽然从未有人尝试过这样的事情，但技术的进步表明这也许是可行的，包括加州理工学院的一家初创企业打算使用相控阵将卫星上的太阳能传输到地球。即便存在巨大的技术障碍和可能的监管问题，这个思想实验也值得考虑，因为那些不那么奇特的航空脱碳方案也有各自的问题。

8. 瑞士Climeworks公司以一半的能量捕获双倍的二氧化碳：https://spectrum.ieee.org/carbon-capture-climeworks

Climeworks

总部位于苏黎世的Climeworks公司表示，其新的直接空气捕获（DAC）技术将在本十年末消除数百万吨二氧化碳。他们的最新设施最终将每年从空气中捕获36,000吨二氧化碳。他们的新DAC技术依赖于一种新的吸附剂（吸收CO2的材料），其几何形状经过修改，以暴露更多的表面积给空气，从而捕获两倍的CO2。新设计将把他们的收集器单元结构从三层架式改为类似立方体的设计，四个收集器壁围绕一个中心轴。这些将用于柏树DAC中心项目，这是一个由美国能源部资助的项目，旨在创建美国第一个百万吨级二氧化碳去除中心。

9. 飞秒激光解决太阳能电池板的回收问题：https://spectrum.ieee.org/solar-panel-recycling

Alfred Hicks/NREL

太阳能电池板是为长期使用而制造的。为了承受恶劣天气、温度变化以及数十年使用的磨损，它们需要对光伏材料进行严格密封。大多数制造商通过在玻璃板之间添加粘性聚合物层来实现这种密封。但在太阳能电池板使用寿命结束时，这些聚合物变得极难去除。美国国家可再生能源实验室的研究人员找到了一种无需聚合物来融合玻璃的方法，即使用飞秒激光将玻璃熔化在一起。这种强烈的光子束改变了玻璃的光吸收特性，产生一小团电离玻璃原子的等离子体，从而将玻璃板熔化在一起。这种新方法制造出的太阳能电池板使用寿命更长且更易于回收。

10. 热带数据中心的冷却（降温）方案：https://spectrum.ieee.org/data-centers-designed-for-tropics

STDCT at NUS

数据中心是能源消耗大户，特别是在气候较温暖的地区。但新加坡的研究人员正在测试可持续冷却数据中心的方法。超过20家科技公司、大学和政府机构正在合作开展可持续热带数据中心试验台项目。他们正在测试一种新的StatePoint液体冷却系统，该系统通过疏水微孔膜创建一个液-气热交换器来冷却水。这种系统在炎热潮湿的环境中更有效，因为它产生的是冷水而不是冷空气。研究人员还将测试一种涂有干燥剂的热质交换器原型，这种交换器涂有干燥剂材料，能够吸收流经空气的水蒸气，从而干燥空气，使数据中心除湿。未来，他们希望将这些节能技术推广到全球的热带数据中心。