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關注世界科技發展新趨勢
文章來源:人民日報      時間:2015-09-08 10:08:06      瀏覽次數:

 

       當前,新一輪科技革命和產業變革正在孕育興起,全球科技創新呈現出新的發展態勢和特征。本期“觀察”版邀請有關專家學者從能源科技、生態環境科技、空間科技等方面暢談“世界科技發展新趨勢”。

  ——編 者

  多元化、低碳化、智能化和分布式

  能源科技發展新趨勢(勢所必然)

  陳勇

      能源是人類社會發展的基石和動力。人類對能源的需求牽引著能源技術的革新與革命,而能源技術的革新與革命又影響著人類的生產模式、生活方式和社會管理,促進人類社會發展。當前,世界能源發展日益呈現出多元化、低碳化、智能化和分布式等特征。據專家們預測,未來全球能源消費結構中的化石能源將在2030年左右達到頂峰,而太陽能、風能、地熱能、現代生物質能的占比將不斷增加,并在2100年能源消費總量中的占比或將超過60%。為此,世界各主要國家紛紛調整能源戰略,競相爭占能源科技這一新的戰略制高點,以爭取掌握在未來競爭中的主動權。

      當今世界,能源的種類有很多,以大類劃分可將一次能源分為化石能源、可再生能源、核能等,而每一類又包含了各種能源,如化石能源包含煤、石油、天然氣、頁巖氣和天然氣水合物等;可再生能源包含太陽能、風能、地熱能、海洋能、生物質能和水能等;核能可分為裂變能和聚變能等。能源只有轉化為能量才能做功、才能發揮作用,所以從能源轉化的角度考慮,又可將能源分為兩大類,一類在轉化過程中通過消耗自身產生能量,例如煤、石油、天然氣、生物質能和核能等,這類物質被稱為自耗型能源。自耗型能源的研究內容主要以勘探、開采和轉化工藝、過程為主,以高效和低排放為目標。另一類在轉化為能量的過程中自身沒有消耗,但需要能量轉換的載體,例如太陽能、風能、地熱能和海洋能等可再生能源,這類物質被稱為他耗型能源。他耗型能源的研究內容主要以能量的收集與轉換載體為主,以高效收集與轉換為目標。由于生產載體的過程需要耗材、耗能,也會產生環境問題,因此從廣義上看,可再生能源轉換為能量的過程也具有不可再生性。所以,對于他耗型能源來說,能量收集與轉換載體的生產工藝、原料的可持續性、廢物再生利用以及環境性和生態性等都是未來能源科技發展中要解決的重大問題。

      能源領域具有自身的特點和規律,這是能源科技發展的重要遵循。其一,能源領域投資大、周期長、慣性強。具體表現在研發投資大、工程建設投資大;研發周期長、工程建設周期長;能源技術應用的慣性強,一旦某種能源技術投入實際應用,將持續幾十年甚至上百年。所以,能源科技發展必須面向未來,進行創新驅動,絕不能急功近利。否則,落后將意味著在幾十年內受制于人,無論從經濟上還是戰略上都處于被動局面。其二,能源既具有經濟屬性,又具有戰略屬性和環境屬性。所以,能源科技的發展必須兼顧這三種屬性。從能源的經濟屬性出發,能源科技的重點應考慮成本、效率和附加值等,要以實現應用和產業化為目標;從能源的戰略屬性出發,能源科技就應重點考慮技術的先進性和創新性,要以技術儲備和資源儲備為目標,而成本和產業化就是次要的了;從能源的環境屬性出發,應將有機廢物的能源化利用作為重要的研究方向。因此,制定能源科技發展戰略和規劃時應將這三者進行不同定位、區別對待。這是未來能源科技發展的重要趨勢。

        遵循能源領域的特點和規律,能源科技發展應明確時空定位,適應本國國情,聚焦需求目標,實施創新驅動。就我國而言,面向今后5年,應以生態文明建設、低碳發展、美麗鄉村建設、城鎮化發展、節能生態智慧城市建設等重大需求為牽引,選擇一批較成熟的節能和清潔能源技術,重點開展系統集成、優化以及實用化的研發工作,以盡快推廣應用,如各種先進的工業節能技術、節能生態智能建筑技術、高效清潔煤利用技術等。面向未來20年(至2035年),應通過重大工程實施,示范實驗一批已有一定積累的先進能源技術,如規模化的可再生能源利用技術、大型電力儲能技術、軌道交通和純電動車技術、頁巖氣開采與利用技術、特高壓輸電技術、新型核電技術和核廢料處理技術等。面向未來35年(至2050年),應通過科技重大專項的設置,集中攻關一批核心技術,如太陽能、風能轉換新原理與新技術,集收集、儲能、發電于一體的光伏材料體系,能源植物(現代生物質能)的選育與種植技術,海底與凍土天然氣水合物開發與利用技術,可控熱核聚變示范堆技術等。

      我國的能源科技發展要遵循能源領域的特點和規律,綜合考慮能源的不同屬性。為了解決現實問題、滿足經濟社會發展需求,可以采用引進、消化、吸收、再創新的模式,以盡快縮短與國際先進水平的差距。但從戰略需要出發,還必須進行能源科技的自主創新、工程示范、推廣應用,而不能只拘泥于成本和產業化,以避免出現從“能源匱乏”變為“技術匱乏”。

                                                         (作者為中國工程院院士)

 

  改善人類生存狀況 支撐可持續發展

  生態環境科技發展新趨勢(審時度勢)

  曲久輝

      健康穩定的生態環境是人類社會可持續發展的基礎性保障,不斷進步的生態環境科技是建設生態文明的重要支撐。自從可持續發展成為人類社會的共同目標后,生態環境科技的發展便煥發出與日俱增的活力。當前,全球性和區域性環境問題不斷加劇,解決重大生態環境問題的需求十分迫切。面向世界科技前沿,面向生態文明建設的戰略需求,面向環境變化的新挑戰,未來生態環境科技發展將重點關注以下五個重大方面。

     氣候變化的生態響應與環境減排。氣候變化對生態系統造成的持續性影響備受關注,可能導致的大量動物遷徙、稀有物種滅絕、生物群落破壞、生物多樣性減少等生態后果,正深刻改變著生態環境科技的研究內涵與創新視野,從大尺度、長周期和非線性層面觀察和探索水、土、氣、生等生態要素對氣候變化的響應規律與調控途徑,成為本領域的前沿性課題。在此背景下,環境保護與治理也不得不改變以傳統污染物控制為目標的既有關注,溫室氣體減排成為環境科技必須面對和全力解決的重大任務。與此同時,生態工業、生態農業和綠色人居等新領域蓬勃發展,循環經濟、低碳社會成為人類活動與產業創新的主導方向,必將帶動生態環境科技進入一個全新時代。

      生態系統與環境變化的交互作用及協同調控。環境變化對生態系統的影響被提升到前所未有的高度,從生態學的角度認識和解決環境問題成為必然選擇。為此,關于人類活動造成的環境變化對生態系統穩定性影響的研究不斷深化,從導致生物多樣性改變的關鍵環境因子識別到生態系統穩定性調控,基于環境影響的生態學理論和技術體系將不斷完善。在此基礎上,生態健康將成為與人類健康同等重要的重大課題,從生物、生態、化學、工程等多維視角全面揭示污染物對生態系統中敏感生物和生物群落的作用機制,將進一步奠定保障生態健康的科學基礎。可以預期,未來的環境污染控制和治理將越來越多地依靠自然與生態學手段,生物操縱、人工濕地等必將在應用實踐中取得新的原理和技術突破。

      環境污染對人類健康的影響機制與風險控制。環境污染對人類健康的影響極為復雜,仍為當今世界的重大難題。隨著認識和測試水平的不斷提升,污染導致的健康風險漸被揭示,也提出了更多、更復雜的科技需求。雖然已經確定了少量化學物質的毒性,但絕大部分進入環境以及過程衍生物的毒性并不清楚,環境污染對人類健康的致毒過程和作用機制更是知之甚少,兩種及以上污染物的聯合毒性及其對人類健康的長期影響具有諸多不確定性,復合污染的健康風險成為本領域及交叉學科研究的長期方向。可以預期,環境毒理作為健康評估的重要手段必將得到快速發展和廣泛利用,生命科學、物質科學的革命性進步可能使污染與人類健康關系的認識與調控水平產生飛躍。同時,不斷完善環境基準和標準體系,全面創新大氣復合污染控制、飲用水安全保障、土壤生態修復的理論和方法,實施符合區域環境變化特征的健康風險防控策略,是當前和今后的長期任務。

      環境治理的綠色化、資源化和系統化。當前,風險控制成為環境污染防治的核心理念,其中加強化學品管理和風險控制是關鍵,在生產過程中將采用綠色替代、減量增效、循環和重復利用等方式,提高原子經濟性和原子利用效率。不用或少用化學藥劑的清潔處理方法將不斷創新,膜、光(太陽光)、電、磁、超導、超聲等物理新技術將被深度開發和廣泛應用。以污染物去除為目標的末端治理模式轉變為清潔生產、循環經濟引領的資源化能源化模式,生活、工業和農業廢棄物,或作為不同產業鏈條中的原料加以利用,或通過先進的生物、物理、化學、材料等技術轉化為有用產品。環境治理與生態修復更加強調實施方案的整體設計,區域聯動和城鄉治理一體化,水、土、氣、生等多介質污染協同控制,環境治理效率及生態效益將顯著提升。

      智慧環境建設與精準化管理。從單元到整體的數字化環境構建成為必然趨勢,功能強大的系統設計和關鍵智能產品的創新突破將為智慧環境建設提供有力技術支撐。借鑒化學自組裝、生物芯片、納米材料、光電一體化等新技術,將研制出具有更高選擇性、更高靈敏度和更高準確性的新一代環境傳感器。高通量、高內涵、快速準確的監測方法和檢測設備推陳出新,由遙感遙測、在線監測等構成的立體監測系統不斷完善。在“互聯網+”、大數據等新技術支撐下所構建的多元異構環境信息傳輸網絡、大數據存儲與融合處理系統等,將從根本上解決現有環境信息破碎化、局地化、平面化和不確定性等瓶頸問題,污染預警、質量預報和風險管理將更加準確高效。智慧環境建設不僅為精細化的環境管理提供強大支撐,無處不在的環境“慧眼”也使環境監督更加社會化和大眾化。

                                 (作者為中國工程院院士、中國科學院生態環境研究中心研究員)

 

  催生眾多相關技術 提高人類生活質量

  空間科技發展新趨勢(大勢所趨)

  吳 季

      人類近代以來的發展歷程,與前數千年最大的不同是科學與技術成為人類社會發展的主要驅動力。特別是20世紀以來,科技推動人類社會飛速發展,其速度是以往無法想象的。進入20世紀下半葉以來,有兩個科技領域的發展對人類社會產生了非常重大的影響,一個是信息科技領域,另一個就是空間科技領域。空間科技是從1957年人類發射第一顆人造地球衛星才開始的。

      50多年來,空間科技從三個方面深刻影響著人類社會。第一個方面是空間科學及其探索極大地豐富了人類對地球所在的太空環境和宇宙演化的知識,并從地球這個人類的搖籃向外邁出了第一步,登上了月球;第二個方面是極大地改變了人類的日常生活,無處不在的衛星通信、衛星電視直播、衛星導航定位以及依靠衛星對地球觀測的天氣預報和災害預報,成為我們日常生活中必不可少的要素,離開了這些技術系統我們甚至無法正常生活;第三個方面就是在國防安全領域,太空已經成為最重要的戰略制高點,現代化戰爭的較量實際上已經從地面上升到了空間。由于這三個方面的重要意義,人類自1957年以來已經發射了近8000個航天器。進入21世紀,空間科技繼續引領著人類社會發展,不斷開辟新的前沿,呈現新的趨勢。

      在空間科學探索方面。長期困擾人類的重大科學問題,如宇宙大爆炸之后到星系誕生之前發生了什么、神秘的黑洞及其周邊、暗物質與暗能量、地球之外是否有生命包括智慧生命等重大前沿科學問題,將是未來探索的重中之重。由于現有的觀測技術均已被普遍采用過,因此,要獲得新的數據和信息將主要通過新的探測方法,比如采用引力波探測技術、甚低頻無線電譜段的高分辨率探測技術、常用譜段的高靈敏度探測技術或成像探測技術等。這一發展趨勢不但可以持續產生新的科學突破,還能極大帶動相關技術的發展,使其延伸至其他應用領域,帶來潛在經濟效益。這一點已經在前50多年空間科技發展歷史中得到驗證。比如,目前手機上使用的高分辨率相機,已經普遍采用了來自深空探測技術領域的CMOS成像技術。

      在與人類生活密切相關的空間應用方面。中國的北斗衛星導航系統將為全世界用戶提供獨立于美國GPS系統的另一個導航定位系統,未來還將有歐洲的伽利略系統,再加上俄羅斯的格洛納斯系統,全球用戶將享用超過一百顆導航定位衛星的精度時空基準空間基礎設施。在直接利用這些系統提供的時間和位置信息的同時,它們無形中還為其他應用間接提供了電離層、大氣、海洋和地面反射信號帶來的環境信息,因此伴生了全球導航衛星系統(GNSS)應用。另一個重要發展趨勢是和手機應用相伴生的。當前的手機應用無論地圖還是其他地理信息都是通過地面其他設施存儲后提供的,沒有運用空間觀測的實時信息。如果能夠將手機與空間對地觀測的實時圖像相聯接,將大大拓展普通人的視野,使每個人都獲得哪怕是準實時的、世界范圍的視覺。可見,全球導航衛星系統再加上無處不在的對地觀測大數據和個人智能移動終端,將催生眾多相關技術的發展和新的應用。

      在空間安全方面。即使不談太空軍事應用,人類仍有一個日益重要的問題必須面對,那就是如何清除越來越多的空間碎片或垃圾。它如同地球表面環境治理一樣,是太空開發是否可持續的重大問題,將會隨著時間的推移變得越來越緊迫。這是因為任何一次碰撞都會產生爆炸性碎片的增長,一旦這些碰撞產生連鎖效應,空間將無法進入,人類也將不得不回到太空時代之前。因此,必須制定進入空間和航天器壽命末期自主再入大氣層的準則,必須研究碎片清掃方法并實施碎片清掃計劃。這個發展趨勢將是不可避免的。這一點與我們現在不得不治理地球環境非常相似。

      自人類進入空間開始,空間計劃均由政府投入主導。基于空間計劃的風險和對質量控制的要求,空間計劃的實施也主要由政府機構和政府控制的企業實施。但這一情況從上世紀末開始發生了變化。越來越多的中小企業、私營企業開始介入空間計劃。衛星的成本開始明顯下降,微小衛星技術逐漸成為主流,承擔重要空間計劃。這些變化對空間科技的激勵盡管是潛在的,但其發展是迅速的。這一發展趨勢將會極大地促進經濟發展,帶動相關配套企業發展,使空間科技不再神秘,使政府控制的主要企業的效率進一步提升,并使政府在空間領域的投入向外圍輻射。未來空間科技將在不斷創新發展中繼續促進經濟高速發展,并通過與信息科技等領域的交叉產生新的應用,從而進一步提高人類生活質量。

                                     (作者為中國科學院空間科學與應用研究中心主任、研究員)

 

  從“跟跑者”向“并行者”“領跑者”轉變(適勢求是)

  潛 偉

      中國曾是世界科技發展的“領跑者”。我們的先人發明了造紙術、火藥、印刷術、指南針,在天文、算學、農學、醫學等多個領域創造了累累碩果,對世界文明進步產生了深遠影響。然而,16世紀以后,由于各方面的原因,中國在科技發展中逐漸喪失了“領跑者”地位,近代以后面對西方列強的堅船利炮只能被動挨打。

      “世界強國,其民權國力之發展,必與其學術思想之進步為平行線,而學術荒蕪之國無幸焉。”100年前,一批中國青年學子在美國紐約州的綺色佳湖畔創辦《科學》雜志和中國科學社,促進“賽先生”在中國的啟蒙傳播,開啟了“跟跑者”的科學救國夢。新中國成立以來,我國逐步建立起全面獨立的科研體系,形成了世界上規模最大的科學技術隊伍,取得了諸如“兩彈一星”、超級雜交水稻、載人航天、量子通訊等一系列先進科技成果,為實現中國夢奠定了重要基礎。正如習近平同志在2014年兩院院士大會上指出的,“我國科技整體水平大幅提升,一些重要領域躋身世界先進行列,某些領域正由‘跟跑者’向‘并行者’、‘領跑者’轉變。”

      科技強則國家強。回顧人類歷史,科技革命和產業變革對全球格局產生了深刻影響,不少國家就是借此機會在激烈競爭中后來居上的。英國在牛頓力學奠定了科學革命基礎、瓦特蒸汽機技術催生了工業革命之后,成為世界霸主。德國在19世紀下半葉的化學工業革命中獨占鰲頭,并成為20世紀初物理學革命的中心,成功地超越了英、法老牌強國。美國在19世紀末的電氣革命中嶄露頭角,并抓住第二次世界大戰后發展核能和信息技術的機遇,終于成為了當今世界頭號科技與經濟強國。

      當今世界正面臨著工業文明帶來的能源短缺、資源枯竭和生態惡化等巨大挑戰,這些挑戰推動人類謀求重大科技變革,引領科技創新的方向。以資源節約、環境保護為特征的綠色技術將大放異彩,節能、儲能及新能源技術將備受關注,信息技術與新能源技術的結合將產生新型工業模式。近年來,世界主要發達國家競相推出新興產業發展規劃和國家競爭力計劃,都不約而同地將節能環保、清潔能源新材料等作為優先發展的產業,加大政策支持力度,通過科技創新實現可持續發展,提升國家競爭力。同時,為了拓展人類未來的活動空間,不斷提高人類生活質量,空間技術受到高度關注,地球和海洋科學也將不斷拓展人類新的生存和活動空間。

      面對這樣的科技發展新趨勢,我國科技界同樣在未雨綢繆,提前進行戰略布局。為實現從“跟跑者”向“并行者”、“領跑者”轉變,多年來我國已經在能源科技、生態環境科技、空間科技等領域取得了一系列創新成果。比如,我國一研究機構的人工光合制氫研究,利用太陽光分解水中的氫和氧,然后用氫做燃料發電,進而實現太陽能的轉化利用,被認為是從根本上解決能源危機和環境污染的理想途徑之一;中國科學家積極參與聯合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)第五次評估報告,為全球氣候變化評估貢獻中國智慧, 為人類社會應對氣候變化提供科學依據;我國載人航天和其他空間技術取得了重大突破,探月工程成功實現回收繞月飛行器,獨立研制的北斗衛星導航系統基本建成,遙感衛星進入亞米級的“高分時代”,世界最大的球形射電天文望遠鏡將在貴州建成。

      國家實力此消彼長,科技是其中的關鍵。只有在科技競爭中成為“領跑者”,我們才能在未來發展中擁有主動權。當前,新一輪科技革命和產業革命正在孕育興起,我國要在這場大變革中有大作為,廣大科技工作者就必須樹立能做“領跑者”的自信。

                                                             (作者為北京科技大學教授)

 

 

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