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革新太阳能引擎 2010年10月31日10:58 南方网
摘要：黑人发明家罗尼・约翰逊设想创造一种无需移动部件的太阳能引擎，它可将热能转化为电能，而且效率是太阳能电池的两倍，将使太阳能变得和煤炭一样廉价。他的想法引起了美国空军的兴趣。
约翰逊拿着他发明的超级水枪。
黑人发明家罗尼・约翰逊设想创造一种无需移动部件的太阳能引擎，它可将热能转化为电能，而且效率是太阳能电池的两倍，将使太阳能变得和煤炭一样廉价。他的想法引起了美国空军的兴趣。
2003年3月，在弗吉尼亚阿灵顿海军研究总署，独立发明人罗尼・约翰逊面对着整屋子的军队科学家。约翰逊来这里的目的是为他的热电能量转换引擎（简称JTEC）寻找研究经费。当时，JTEC只是一堆数学公式，连原型机也没有。但约翰逊宣称，他的装置能够将太阳能变成电力，而且效率是传统光电池的两倍。这立刻引起了海军研究总署的兴趣。
投放到墙壁上的幻灯片总结了约翰逊辉煌的经历：为亚特兰蒂斯号航天飞机进行的风险评估；参加伽利略号探测器核动力系统研究；研究密集能量陶瓷电池；发明了一款让他成为百万富翁的玩具武器———超级水枪。
接着，约翰逊开始介绍JTEC背后的原理。这个装置能够把氢原子分裂成质子和电子，从而将热能转化成电力。更重要的是，它无需任何活动的部件。他还计划告诉听众，JTEC的效率是传统太阳能电池的2倍，可以让太阳能变得和煤炭一样廉价具有竞争力。但是他还没来得及讲到这部分。当时任海军研究总署机械与能源转换部的负责人理查德・卡林站了起来，直接否决了约翰逊的设想。卡林宣称，整个装置建立在一个已经被证明不实际的概念之上，并拿出他的导师、著名电化学家罗伯特・奥斯特扬1981年与人合作撰写的一份报告作为证据。他对约翰逊说，去读读奥斯特扬的报告，你就会明白。
会议就此结束。
担心自己错过了什么，约翰逊回到亚特兰大家中，开始阅读奥斯特扬足有1英寸厚的报告，并得出结论，其中谈论的方法与他的完全不同。看来，卡林在并未完全理解他的概念之前就武断地予以否决。（当记者就这个问题采访卡林时，他说他已经不记得那次会议，但知道JETC的概念，现在认为它“原则上是可行的”。）当时，和卡林抱着同样态度的人还不少。每当约翰逊说到他的JTEC，反应几乎都一样：在没有移动部件的情况下，没有引擎能够以如此高的效率将热能转化为电能。
约翰逊却不这样认为。他认为海军研究总署———和其他一些机构———未能接受他的想法是因为他们全部缺乏想象力。他是一个著名的玩具发明家，独立工作，不属于任何科研机构，这两点显然也无助于他的创意受到严肃对待。约翰逊陷入了困境：要证明他的概念可行，他需要一台强大的原型机，它必须能够承受聚焦后的阳光的极高温度。但是没有经费他就无法造出原型机。他决定换一种“兜售”方式。他不再称JTEC为引擎，而称之为高温氢燃料电池，一种用化学而非物理方法———通过剥夺氢原子的电子———生产电力的装置。
新的描述并不完全准确：虽然两种装置都采用相似部件，燃料电池需要源源不断的氢；而JTEC只需要在密封舱内装载一定数量的氢，只需要热能启动。但是，如果换成燃料电池，不用移动部件就不再让人觉得难以接受。(南方都市报www.nddaily.com SouthernMetropolisDailyMark 南都网)
事实上，在对海军研究总署演讲两个月前，约翰逊已经在给空军研究实验室的一份书面提议中尝试了新的推销法。5月，他得到来自空军截然不同的答复。“就那样轻易获得了经费，”约翰逊打了个响指说，“因为他们懂得燃料电池———它采用的技术、相关文献和背景。新的引擎概念却无法得到别人的认可。”空军给了约翰逊10万美元，用于电池隔膜研究。并于2003年8月派了一名项目经理到约翰逊的亚特兰大实验室。“我们对他谈论JTEC，他回答说，”哇，这真让人激动！‘“一年后，约翰逊证实他能够制作出能承受400℃以上高温的陶瓷隔膜，空军又拨给他75万美元经费。
JTEC的关键在于热力学第二定律。简单地说，该定律指出在自然状态下，热会由热处转到冷处。比如，一杯热咖啡将热传递到周围空气中。随着杯中咖啡的温度与空气温度慢慢一致，这个过程中发生了能量的转移。
通过这个转移过程可以获得动能。最常见的方式是通过某种形式的热引擎。比如蒸汽引擎用蒸汽推动涡轮，将热能转化为电能。蒸汽引擎———主要用煤炭为动力，也可使用天然气、核材料等其他燃料———生产了美国90%的电能。虽然经过多次改进，多数依然依靠移动部件，发出巨大噪音，喷吐大量废气，因此效率低，很容易因机械问题发生故障。
约翰逊的最新JTEC原型机像是一台新型桌面酒精蒸馏器，包括两个装满氢气的舱室，由带压力计的钢管连接。蒸汽引擎用燃烧煤炭产生的热能生成蒸汽，推动移动部件，而JTEC用热（比如太阳光发出的热能）使一个舱室内的氢原子膨胀。膨胀的原子———每一个都由一个质子和一个电子组成———分裂，释放出的电子以电流形式通过外部电路，给电池充上电，或完成其他任务。与此同时，带正电的电子———又称作离子———挤过一块特别设计的质子交换隔膜（这部分从燃料电池借鉴而来），与另一侧的电子结合，重新组成氢原子，后者被压缩后送回装氢气的舱室。只要有源源不断的热量能，这个过程就会周而复始，永远继续下去。
美国国家科学基金会的能源专家保罗・韦伯斯说，“罗尼利用温差创造了压力梯度。但他没有用这个压力梯度去移动轮轴，而是迫使离子穿过一道隔膜。”韦伯斯用了几个月的时间审查JTEC，最终于2006年，拨给约翰逊的小组7.5万美元的研究经费。他形容JT EC是“一种崭新的，有充分依据的，将热能转化为电能的方法。”谈到它掀起全球能源生产革命的潜力，他说，“很有可能，它将是地球上最棒的发明。”
约翰逊属于濒危的人群：独立发明家。1949年，他出生于亚拉巴马州莫比尔一个黑人家庭，是家里六个孩子中的老三。当时的美国依然奉行种族隔离制度。他父亲大卫（1984年去世）是二战老兵，回国后在附近的空军基地当司机。罗尼的母亲艾琳已经86岁，依然住在莫比尔。她说，他们一家虽然穷困，但过得很快乐。8个人住在一幢有3间卧室一个卫生间的房子里。
童年时，约翰逊是个安静好奇的孩子。很早他就开始好奇各种东西的工作原理。他母亲回忆说，“罗尼剖开他姐姐的洋娃娃，看是什么让娃娃会眨眼睛。”长大一些后，他开始自己做东西，包括用自制燃料驱动的火箭。13岁时，他从别人抛弃的除草车上拆下引擎安装到一辆自制推车上，开到了家附近正在修建的10号国道上，结果被一位警察护送回家。就在那时，约翰逊得知，“专门做我感兴趣的一类事情的人叫做工程师。”
像现在一样，在当时，这个职业被白人所主导（直到2004年，在美国，只有1.6%的工程专业文凭被授予黑人。）上中学时，初级工程技术协会编撰的一套试题告诉约翰逊，他没有工程学的天赋；但他并没有放弃。高中时，他成为他所在的全黑人学校第一位进入初级工程技术协会地区工程学展览会的人。此次展览会在亚拉巴马大学举行。就在5年前（1963年），当时的州长乔治・华莱士还试图以武力阻止两名黑人学生入读这所大学。约翰逊参展的作品叫Linex.是一个空气动力机器人，机器人身上的电磁开关是他从旧自动点唱机上拆下的、电磁阀是他用铜管和橡皮瓶塞自制的。最后的作品打动了裁判们，为他赢得人生第一次大奖：250美元和一块奖牌。
大学官员并没有宣传一位黑人男孩赢得大奖的事实。约翰逊回忆说，“整个比赛过程中，学校的人对我说的唯一一句话是，‘再见，回家注意安全驾驶。’”
后来，约翰逊凭借数学和空军RO TC奖学金进入塔斯基吉大学，获得了机械工程学学士学位和核工程学硕士学位。1975年，他加入空军，先后为空军武器实验室、美国宇航局喷气推进实验室和空军战略指挥中心工作。但是每一份工作都让他觉得创造力受到窒息，1987年，38岁的他感到已经无法忍受，决定辞职从商，专注于自己的项目，这其中包括一种热泵、一种离心力引擎和一种压力水枪。他说，“只需要一项成功，我就满足了。”
1982年，一个周末的下午，他正思考一款环保热泵，用水替代氟利昂，这个时候水枪的创意冒了出来。他自制了一个水泵原型，连接上橡胶管，带进卫生间进行试验。他对着浴缸打开水泵，射出一柱高压水柱。当时他就想，这个东西可以变成不错的水枪。约翰逊花了7年时间，最终获得水枪的专利，并找到对它感兴趣的公司进行生产。这项发明让约翰逊成了富翁。
为了创造比玩具水枪更有益于社会的东西，约翰逊将水枪的收入投入了能源研究。同时，依然在继续钻研热泵。当他自学的电化学知识与他一直感兴趣的热力学第二定律重合之后，约翰逊突然获得了灵感：为什么不用温差取代化学反应，迫使离子穿过电池隔膜？JT E C创意就此诞生。
今天，约翰逊和他的家人住在亚特兰大的富人社区。20年前他创建的约翰逊研发公司目前雇佣了24人，包括设计师、营销人员、科学家。然而，约翰逊再次遇到财政困难，“在我人生的某个时候，我曾经很富有。”但今非昔比：由于大量仿照品的出现，水枪的收入急剧减少，目前仅能提供公司预算的1/3.剩余部分依靠研究机构拨款，在最近的经济危机后，拨款也要花光了。他开始借钱维持研究。他已经将几百万美元压在了JTEC的成功上。
2008年冬，约翰逊接到帕洛阿尔托研究中心（简称PA RC）材料学家卡尔・利陶的电话。PA RC是施乐公司下属的研究机构，也是激光打印机、以太网等革命性技术的诞生地，现在又扩展到了替代能源研究领域。利陶对JTEC产生了兴趣。像保罗・韦伯斯一样，利陶最初也担心，这个装置听上去太棒了，以至于让人无法相信。于是，他和其他几位PA R C科学家设计了一个复杂的立体电脑模型，用于分析各种状况下，JT E C内部的热能和流体运动，结果让他们深感满意。像韦伯斯一样，利陶也成了JT EC的信徒，称赞它是“一种从热引擎获取能量的聪明方法……非常的优雅。”
采访利陶时，他谈到了JTEC对比传统热引擎的优势：没有移动部件，这意味着引擎更加可靠，几乎完全没有噪音；它采用的原料氢环保无害（比如相对于氟利昂）；不会产生废气或垃圾（JTEC不释放二氧化碳，也不像燃料电池一样产生水。水虽然不会损害环境，却会腐蚀设备）。所有这些优势意味着更耐用的设备、更高的能量转换效率。
商用太阳能电池将接收到的太阳能的20%转化为电能。今天最先进的太阳能系统———聚集太阳热能驱动涡轮发电机的热电站———的能量转化率约为30%.而约翰逊宣称JTEC可以让这个数字翻倍，将太阳能发电的成本从目前的每千瓦时25美分削减一半，使得它和煤炭一样具有竞争力。
保罗・韦伯斯说，“在华盛顿有很多关于碳排放和能源的争论，都和煤炭、核能和石油有关。如果我们能将太阳能成本减半，将能够避免上述三种能源，其意义不可估量。”
赢得了PARC支持后，约翰逊不得不再次习惯在正统科研机构的局限下工作。PA RC希望在同行评审刊物上发表一篇关于JTEC的论文，在证明其合法性的同时鼓励同行参与技术的改进。但约翰逊对此并不赞同。“同行评审很好，”他说，“前提是你提出的是循序渐进的技术改进。”但约翰逊梦想着飞跃式的进步。
同样让约翰逊担忧的是与PARC在知识产权问题上的分歧。直到不久前，约翰逊才迟疑地准许PARC为他的实验室的一些技术成果申请专利保护。自己当了20年的老板，约翰逊不肯定他自己到底愿意放弃多少专利权———以及相关利益。“突然之间，一些东西被交给其他人去做，我对它们毫无控制权。他们成功后也会申请专利，虽然最终是在我的引擎上用的东西。而我不得不掏钱购买，虽然创意是我自己的。”
去年，我拜访了约翰逊在亚特兰大市区的占地4英亩的私人领地。他身穿卡其裤、长袖马球衫，带我参观了这座刚翻新过、铺着木地板的砖结构3层建筑。约翰逊说，他打算把这里变成一个高科技生产中心，从当地雇佣工人进行培训。但是由于最近的经济危机和研究计划的延迟，这些计划被迫暂停。
目前，约翰逊不得不将这片漂亮的办公区租出去，而他和他的员工们———包括拥有博士学位的化学家、材料学家、工程师———挤在停车场对面一幢没有窗户的仓库里工作。仓库墙壁上挂着一排排的相框，纪念约翰逊的100多种个人专利中的12种。包括水压热泵、陶瓷电池、无需热能的卷发器、一种用音乐提醒宝宝尿湿了的尿布、JT E C核心的电化学转换系统。在他的书桌上方挂着一个廉价的黑色相框，里面镶着前美国总统卡尔文・柯立芝的名言：
“在这世界上没有什么能够取代毅力。才干不能取代它；有才干的失败者比比皆是。天才不能取代它；怀才不遇的天才几乎成了谚语。教育不能取代它；这个世界上到处是受过教育的废物。毅力和决心是无所不能的。”
参观完办公室后，我们走进一间装满高科技设备的巨大实验室。我们经过一块擦鞋用的门垫，穿过黄色油漆画出的通道，经过摆放化学品的架子、一排排连着大堆电缆的机器。
穿着蓝色实验服，戴着护目镜的技工从旁边走过。一些设备外面罩着塑料无尘帐篷，顶部是大型排风扇和连接天花板的管道。这座实验室像一个凌乱的生产电脑芯片的家庭作坊。两者的相似并非巧合：为了开发质子交换隔膜，约翰逊借鉴了半导体工业的生产工艺。他笑着向我展示他刚刚购买的设备：一台x射线光电子能谱仪。这台昂贵的机器能让他分析材料的原子构成———在这个地方，约翰逊显然如鱼得水。
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