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202201 氢气罐出口

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日本为了改变大量进口煤炭的局面,正在尝试在澳大利亚产煤地提炼氢气,然后进口液态氢。日本的运氢船已经抵达澳大利亚,正等着液态氢的球罐装船(上图)。这将是世界第一次海运液态氢球罐。

液态氢的体积小,只有原始氢气的 0.125%(即千分之一),但是热量高,1 克氢气包含的热量是 1 克汽油的 3 倍。如果这种方法证明可行,石油、天然气、煤炭未来都可以转成液态氢出口。

这里至少需要考虑两个问题:1. 能量转换的损失 2. 氢和其他燃料的物理特性的比较,包括体积、重量等,不限于单位重量的能量

202105 世界上最大的加氢站

北京大兴 建成全球最大的加氢站,日加氢量可达 4.8 吨,共有 8 台加氢机、16 把加氢枪。一辆总重 4.5 吨的氢燃料电池货车,只需加氢 3 分钟,就能续航 350 公里。氢能每公斤 30 元,与传统货车的加油成本基本相当。

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202105 氢动力汽车续航的世界纪录

一位澳大利亚赛车手 创下了氢动力汽车续航的世界纪录,他使用一辆现代牌氢动力汽车,单次续航 887.5 公里,共消耗了 6.27 公斤的氢气。

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202103 新能源汽车,谁会是赢家?

过去的一年,新能源汽车突然成了明星,电动车公司的股价都上涨了许多倍。

我对这件事一直有怀疑,不那么看好那些电动车公司。这两周,他们的股价开始跌了,所以我想赶紧把自己的想法写出来,不要再拖了。

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关于电动车,最基本的一点就是,它属于电子产品。汽车一旦变成电动,就从机械产品变成了电子产品, 电机替代了内燃机,电路替代了齿轮,软件替代了仪表。因此,电动车遵循的是电子产品的规律。

最像电动车的电子产品,就是手机。各家厂商生产的,明明都是差不多的产品,但是大家拼命做出差异,以求获得消费者的青睐。手机竞争的招数,都已经出现了电动车上了,下面我来列举四点。

第一招,堆砌硬件。 你的硬件好,我的硬件比你更好,而且更多!蔚来的新车 ET7 有 23 个扬声器、11 个高清摄像头和 5 个毫米波雷达。请看下图,车顶的三个突起分别是两个摄像头和一个雷达,甚至车门上都装了摄像头。

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第二招,追求极限。 消费者喜欢哪点,就把这一点做到极限。特斯拉有一块 17 英寸的触摸屏,大家觉得很酷,理想 One 就一口气放了四块,整个控制台是一整条超过一米的触摸屏。

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第三招,打价格战,强调性价比。 2021 年第一季度的 全球电动车销量冠军,不是特斯拉,而是五菱宏光 Mini EV,它的入门版价格不到 3 万元,相当于特斯拉的十分之一。

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第四招,外包。 我只出整车方案,代工厂负责把车造出来,这样的话,效率更高,成本更低。事实上,富士康已经成立了电动车代工厂,从今以后不仅代工手机,还代工汽车。造车门槛将会越来越低,新品牌像雨后春笋那样冒出来。

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通过上面这些例子,我只想说明,汽车一旦变成电子产品,竞争就会像手机那样极度激烈。这还没有提到软件的竞争,电动车的操作系统其实才是决定性因素,IT 巨头们迟早都会推出自己的整车。

现在那些电动车公司会赢到最后吗?我的预言是,就像手机厂商一样,大部分都会死掉,甚至特斯拉也很危险。这就好比,手机是摩托罗拉发明的,整个市场曾经都是它的,但是它最终也没有活下来。

反正,我对投资电动车股票很保守。更何况,新能源汽车还包括氢燃料汽车,它有很多优势,如果解决了氢气的运输和储存问题,电动车市场顿时就会大大萎缩。

202102 氢化镁燃料

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氢气是一种环保新能源,但是很难储存,因为它太轻了容易逃逸,而且难以压缩体积,储存和运输的成本都很大。德国科学家研发了固态的氢化镁糊剂,尝试解决这个问题。

氢化镁在常温下是一种糊剂,温度上升到 250°C 才会分解,所以即使车辆在烈日下暴晒,也仍然安全。使用时加入自来水,水会与氢化镁发生了剧烈的放热反应,从而释放氢气。

它的优点是能量密度是锂电池的十倍,也就是说,同样能量的锂电池体积是它的十倍。而且添加燃料非常简单,只要用新的燃料盒替换原来的即可。下图就是氢化镁发电机,右下角的白色盒子就是燃料盒。

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2020 年才是 21 世纪元年

刚刚过去的 2020 年,无疑是人类历史上糟糕的一年。

但是,从技术角度看,2020 年却是辉煌的一年。人类社会可能在 2020 年以后,进入一个完全不一样的阶段。

风险投资家、《从零到一》的作者 Peter Thiel 说,2020 年才是 21 世纪的第一年。新经济、新技术、新趋势在这一年确立了。

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我列举一些 2020 年技术领域的大事。

mRNA 疫苗技术取得突破,从研发到大规模接种,只用了一年时间,很可能会永远改变流行病的预防技术。它的背后是生物科技的突飞猛进。

新能源技术(太阳能、风能、氢能和电池)一日千里,化石能源和汽油车明确将被淘汰。

无人驾驶开始大规模路试,并向公众开放,已经接近可用状态。马斯克 甚至说,特斯拉公司 2021 年会发布真正的无人驾驶。

人类的生活方式加速转移到线上,远程办公、视频会议、在线教育……需要十年走完的路,一年就走完了

SpaceX 公司的火箭技术获得成功,开始载人飞行。三个国家(阿联酋、中国、美国)几乎同时发射火星探测器,预定今年二月到达火星,中国和美国的探测器将在火星登陆。

“人造肉”出现,并在沃尔玛上架,也做成了汉堡。如果植物蛋白可以替代动物蛋白,农业会发生巨大革命。

5G 开始普及,无线通信的带宽变得更大。星链计划的卫星宽度证实可行,地球的每个角落都能随时随地在线,即将成为现实。

8K 分辨率的视频开始商业化,家用播放设备和拍摄设备都上市了。这可能是电子屏幕的尽头了,因为接近人眼分辨率了。

苹果 M1 芯片成功,桌面电脑开始转向 ARM 架构,跟手机使用同一个架构,App 将可以通用。桌面电脑以后会进一步小型化、轻量化,而移动设备将变得功能更强大,更接近桌面电脑。

总之,2020 年虽然结束了,但是它确实更像一个起点,人类正在进入新经济的下一个阶段。

202011 日本的氢能源计划

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日本是一个海岛,自身没有石油和煤炭资源,都依靠进口。为了保证能源供应和保护环境,日本政府正在研究一个氢能源计划,尝试使用氢气作为国家的常规能源。

具体安排是,明年在澳大利亚,使用当地的褐煤提取液态氢气,然后装船运往日本,再在日本燃烧发电。澳大利亚有丰富的褐煤储量,而褐煤的品位和含热量都较低,不值得长途运输,所以合适在产地直接处理。

这个计划如果能够成功,对全世界都有重大意义。氢是宇宙最丰富的元素,而氢气又非常清洁。这件事的最大难点在于液态氢气的运输和储存,温度必须保持在零下 253 摄氏度。

202011 氨动力船只

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丹麦正在建造一艘实验船,使用液态氨作为燃料。氨不含碳,所以燃烧不会产生二氧化碳,而且能量密集度高于氢燃料。液态氨的另一个优点是,它的运输和储存要比液态氢容易,氢气的液化点是零下 253°C,而氨气只需要零下 34 度。

氨气的最大问题是,燃烧会产生污染性的一氧化二氮,需要清除废气。氨气本身也是有毒的,大量接触会出现流泪、咽痛、呼吸困难,乃至头晕、头痛、恶心等,甚至导致肺水肿,引发死亡,因此需要小心处理和存储。

202002 氢动力火车

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英国制造了氢动力火车的样车,正在测试。这种火车通过分解氢气发电,储存在锂电池,一次可以行驶 80 公里到 110 公里。如果顺利的话,预计两年后投入使用。

氢动力最大的好处就是环保,不会产生有害气体和二氧化碳,唯一的产物是水。而且,氢动力火车比新建纯电力火车便宜,因为不需要改造轨道,可以直接在现有轨道上行驶,这对乡村尤其适合。

氢动力火车的最大问题是,它只能携带 20 公斤氢气,只够运行 3 个小时,因为没有便宜的方法可以压缩氢气的体积,所以火车无法携带更多的氢气。

201911 太阳能发热

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太阳能一般用来发电,但是比尔·盖茨正在资助一项新计划,尝试将太阳光转为超过 1000℃的热源,用来替代化石燃料。

该项目使用软件操作大量镜子,把阳光反射到目标上,产生 1500 度的温度,是以前的商用太阳能系统的三倍。高温用来分解水分子提取氢气,再把氢气用作燃料。高温也可以用来制造水泥,减少传统燃料的消耗。

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201910 6、第二代氢燃料汽车

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丰田公司选在 10 月 8 日发布第二代 Mirai 燃料汽车,因为 10 月 8 日可以写成 1.008,这是氢的原子量。

该车使用氢气作为燃料,没有污染,也不排放二氧化碳,是目前世界上主要的氢动力汽车。第一代在 2014 年问世,这次的第二代加大了氢气储存容量,续航里程从 500 公里增加到了 650 公里。

该车在美国的售价是 5.85 万美元,日本的售价为 670 万日元(约 44.3 万人民币),日本政府会补助 200 万日元。

201909 氢气大巴

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丰田公司将向 2022 年北京冬季奥运会,提供 100 辆氢燃料电池公共汽车,在场馆之间运送游客。这应该是中国第一次引入氢气燃料的公共汽车。目前,东京已经有 15 辆氢气大巴在运营。

跟纯电动汽车相比,氢气汽车没有充电这个环节,更方便省事。但是,它需要广泛的充气站网络,这成了氢动力汽车推广的最大难题。

201906 太阳能甲醇岛

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瑞士科学家提出一个设想,海洋上铺设直径 100 米的太阳能浮岛,利用太阳能发电。电力输送到旁边的轮船。轮船使用这些电力,从海水中提取氢气,与二氧化碳合成甲醇,然后定期将甲醇送回陆地,作为燃料。

相比汽油,甲醇的安全性更好,更有利于环境保护。根据计算,只要有 17 万个这样的太阳能浮岛,就能弥补这个系统的成本。

201812 氢气列车

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德国开通全世界第一列氢气列车,运行在一条 100 公里的线路上。氢气列车通过氢气和氧气的化学反应产生能量,转化为电力,唯一的排放物就是水。单个氢气罐可以支持列车行驶 1,000 公里。

列车由法国的阿尔斯通公司制造。阿尔斯通表示,计划到 2021 年向德国再提供 14 辆氢气列车,而英国,荷兰,丹麦,挪威,意大利和加拿大等国也有兴趣。法国政府已经表示,要在 2022 年之前将第一批氢气列车投入使用。

氢气的最大问题,就是很难大量运输。这就是为什么氢气汽车没法推广,因为氢气加油站的网络建设不了。但是,火车就没有这个问题,每个城市的火车站都可以建氢气供应站。

201811 储能材料

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瑞典科学家发明了一种液态分子材料,可以储存太阳能。这种材料由碳、氢和氮分子组成,被阳光照射时,会转化为一种富含能量的异构体,即分子的排列方式会改变。

这种异构体可以储存长达 18 年,当要使用能量时,就让它通过一种催化剂。液体在通过前,温度为 20 摄氏度,通过后就上升到 83 摄氏度。储藏的太阳能以热能的形式释放出来,同时异构体恢复到原始形态的分子形态,这样就可以在加温系统中重复使用。

201811 新型厕所

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比尔盖茨在北京“新世纪厕所博览会”上表示,过去七年他的基金会投入了 2 亿美元,研发了 20 种新型厕所,可以消除人类粪便里面的病原体,将其转为清洁的水和肥料。盖茨认为,这些厕所可以挽救 50 万人的生命,并节省 2000 亿美元以上的资金。

其中一种厕所是加州理工学院开发的,使用电力将水和人类废物分解成肥料和氢气,后者可以作为能源储存在氢燃料电池中。

201808 氢动力汽车

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使用清洁能源的汽车,除了电动汽车,还有氢动力汽车。氢气燃烧只会产生水,不会污染环境。

氢动力汽车的最大问题是,很难大量运输氢气,因此无法建成加油站网络。澳大利亚科学家最近解决了这个问题,首先把氢气变成氨,液态氨的密度比氢气大很多,可以大量运输。加油的时候,通过一种特殊的膜,氨又重新变成了氢气,注入汽车的油箱。

201808 丰田氢动力汽车 MIRAI 体验

丰田 MIRAI 是世界第一代氢能源汽车,MIRAI 在日语中是 " 未来 " 的意思,正式名称叫做 " 燃料电池汽车 "。2014 年 12 月正式推向市场,并实现了量产。

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与汽油汽车和混合动力汽车相比,丰田的氢能源汽车是没有发动机的,只有车头安装了一个小小的马达。那么,MIRAI 的动能是如何产生的呢?

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燃料电池动力系统的工作原理是氢和氧发生反应产生电能,然后驱动马达运行。那么既然把 MIRAI 称作为 " 燃料电池汽车 ",那么它的燃料电池在哪里呢?其实,所谓的燃料电池,是一个装在汽车中部的电堆,叫 "FC 电堆 ",这个电堆并不是电池,而是发电设备,氢和氧在这里发生反应产生动能,而且这个电堆没有寿命限制。

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MIRAI 加一次气,需要多少时间?只需要 3 分钟,跟加汽油是同样的时间。但是,加一次气,可以跑 650 公里,并且作为 MIRAI 发电机的 FC 电堆,还不会发生电池老化,功率下降的问题。加满气的费用是多少?是 5000 日元(约 300 元人民币),跟加满汽油的价格一样,甚至更便宜,而且不会随着油价的上升而发生价格的波动。

目前,丰田的氢能源加气站主要是与岩谷产业公司合作,岩谷产业公司是日本最大的液化气加工销售公司,也是 "MIRAI" 车氢能源的制造公司。全国现在共有约 100 座这样的加氢站,主要集中在东京、名古屋、大阪和福冈四大经济圈,东京的加氢站现有 14 座。

MIRAI 目前的售价是 725 万日左右元(约 42 万元人民币),日本政府和各地方政府(各地方政府的补助金额不等)最多可补助约 200 万日元,个人实际需要支付的购车费,相当于 30 万元人民币。

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车回到加气站,中井先生请我看车尾,只见司机在驾驶座上按一个按钮,车尾就洒出大概半杯子清水,原来氢能源的 MIRAI 只排水,不排尾气,实现了完全的零排放。而这一种清水,可以在行驶中自然排放。

201806 从空气中吸收二氧化碳

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科学家认为,人类过度释放二氧化碳是地球暖化的主要原因,为了保护环境,我们应该减少二氧化碳的释放。

一家加拿大公司正在尝试另一种方法:从空气里面捕获二氧化碳。方法是把空气吹向氢氧化钾溶液,形成碳酸钾。进一步加工处理之后,转变为碳酸钙颗粒。这种颗粒加热后,就会释放二氧化碳,再埋入地下的管道。现在,捕获一顿二氧化碳的成本在 200 美元以上,但是未来估计可以降低到 100 美元以下。

可视化地壳元素

人类使用的所有材料,都来自地壳,也就是地球的表面。

地球分成三层,最里面的是地核,占行星体积的 15%;地核的外面是地幔,占行星体积的 84%。剩下的最外面那一层薄薄的壳就是地壳,深度约为 5-70 公里,占行星体积的 1%。

地壳主要由岩石组成,氧、硅、铝和铁四种元素占地壳质量的 88.1%,下图就是地壳含量最多的前 10 种元素。

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  1. 氧 (O) 46.1%
  2. 硅 (Si) 28.2%
  3. 铝 (Al) 8.2%
  4. 铁(Fe)5.6%
  5. 钙(Ca)4.1%
  6. 钠 (Na) 2.3%
  7. 镁 (Mg) 2.3%
  8. 钾 (K) 2.0%
  9. 钛 (Ti) 0.5%
  10. 氢 (H) 0.1%

前 10 种元素共占 95.5%,其他元素合在一起只占 0.5%。

氢气炼钢

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传统的炼钢方法是使用焦炭,将氧化铁矿石里面的氧元素还原出来,这个过程会产生大量的二氧化碳。

为了减少二氧化碳排放,一家瑞典钢铁公司发明了氢气炼钢,不使用焦炭,而是用氢气将氧元素还原出来。这样不会产生二氧化碳,只产生水。

氢燃料的优点、缺点和可行性(英文)

本文较系统地讨论了,氢气作为清洁能源的前景。

新能源的极限

目前,石油、天然气、煤等碳氢化合物,提供了全世界 84%的能源。风能和太阳能提供了全世界 2% 的能源。

尽管如此,许多人还是主张尽快把所有碳氢化合物都替代掉,并称其为“新能源经济”。

但是,风能,太阳能和电池存储技术有其极限,全世界近期几乎不可能向“新能源经济”过渡。原因如下:

(1)碳氢化合物有低成本、高能量密度、稳定性、安全性和便携性等卓越的优点,科学家尚未发现跟它们一样优秀的替代物。

目前,在风力涡轮发电机或太阳能电池板上投入 100 万美元,每年产生约 5000 万度电,但是在页岩钻井平台上花费 100 万美元,生产的天然气可以产生 2 亿度电。

(2)硅光伏电池有物理极限,称为 Shockley-Queisser Limit,即最多只有 34%的光子可以转换为电子。今天最好的商业光伏技术,转化率已经超过 26%。

(3)风力发电机的物理极限是 Betz Limit,即最多只能从移动的空气中捕获 60% 的动能。今天的商用风力涡轮机,转化率已经超过 40%。

(4)世界最大的电池工厂特斯拉的 Gigafactory,一年生产的电池只能支撑全美国的用电需求三分钟。连续生产 1000 年的电池,可以支撑美国两天的电力需求。与此同时,每生产一磅电池,需要开采、移动和加工 50-100 磅的各种材料。

水泥的由来

人类最早的建筑物是用泥土做墙,上面加一个茅草的屋顶。你就有了一个小屋。

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这种建筑物很不牢固,无法建得很高,或者建成多层建筑。它往往会被雨水冲走,实际上无法在潮湿的环境中使用,也无法抵挡动物和其他人类的入侵。

石头是比泥土更理想的建筑材料,但是裁切形状很不方便,也很难将石头牢固地堆叠起来。要是有液态的石材就好了,能够倒入模具中,制造出任何想要的形状!或者有一种和石头一样强度的胶水,将较小的石头粘起来就好了!

这种技术其实早就存在,实际上,它可能是人类已知的最古老的工艺。这种物质就叫做水泥。

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水泥的主要原料是石灰石,它跟贝壳是同一类物质,都是碳酸钙。石灰石是一种沉积岩,通常就是由破碎的贝壳形成的,贝壳经过数世纪的压缩,最终变成了石灰石。

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石灰石加热到大约 1,000 摄氏度时,会产生一种叫做生石灰的粉末,即碳酸钙释放了二氧化碳,变成了氧化钙。生石灰是一种腐蚀性物质,触摸它会灼伤你的皮肤。但是,它有一个最奇怪的特性,与水混合时,它会发生剧烈反应,放出大量热量,足以将水烧开!结果就变成了熟石灰,即氢氧化钙。

现在,你将石灰水浆倒入模具中,然后将其暴露在空气里,就会发生更令人惊奇的事情:几个小时内,这种混合物凝固了,并变得坚硬。氢氧化钙从空气中吸收了二氧化碳,又变回了碳酸钙!换句话说,通过与水和空气混合,石灰石粉末(一种基本的水泥)已经变成了岩石!

纯石灰的水泥太脆,无法使用。但是,加入砂石以后,则变得非常坚固。水泥、水和沙子混合在一起,就产生了砂浆,它是一种胶水,可以将砖石砌成的墙固定在一起。

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水泥还可以添加砾石或卵石,制成混凝土,再将其倒入模具以某种形状固定。“水泥”和“混凝土”这两个词经常混为一谈,但从技术上讲,水泥是制造砂浆和混凝土的原料粉末;混凝土是水泥通过添加石料制成的物质,是人行道、建筑物等的组成部分。

自从史前时代,人类就知道这种技术:石灰石的窑化工艺,比陶器和金属加工更古老,甚至比农业还古老。过去的数千年中,人们创造的主要是更好的水泥配方。

纯石灰水泥需要空气凝固,因此如果浇得太厚或在水下(例如,在河中浇筑桥柱的基座),就无法凝固。罗马人是水泥的主要使用者,他们发现在石灰中添加火山灰,会产生可以在水下凝固的水泥。他们使用这种“罗马水泥”来建造所有建筑,许多都保留到了今天。

19 世纪中期以来,使用最广泛的水泥是波特兰水泥。它的生产过程是将石灰粘土浆加热到一定程度,使其融合在一起,成为一种称为“熟料”的物质。熟料最初被认为是废料,直到发现将其磨成粉末后,所形成的水泥比罗马水泥更坚固!

但是,无论配方如何,所有水泥都有一个缺点:它们抗压性好,但是无法受力,因此不能当作房梁承重。罗马人使用拱门解决了这个问题,拱门将力沿着两边分散了。

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中世纪的建筑商创造了尖的哥特式拱门,它的承重更好,可以造得比圆形的罗马拱门还要高。

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二十世纪,一种新的建筑方式出现了:用钢筋加固混凝土。钢筋具有较高的抗拉强度,因此这种“钢筋混凝土”在压缩和拉伸下都很坚固。

其他

由于难以降解,很多国家正在限制使用塑料。但是在我看来,这可能是塑料的一个优点。

因为塑料的主要成分是碳,难以降解意味着不会产生二氧化碳,所以是一种有效的长期碳储存方法。人类比较好的出路是,使用大气中的二氧化碳制造塑料用品,然后回收集中储存。

-- 《碳、塑料和温室气体》

碳捕集技术上不存在问题,问题是经济性

氢气(H2)不是能源,因为它不存在于自然界,必须通过消耗其他能源才能生产出来。因此,氢气燃料电池更恰当的描述是能量存储系统,而不是能源。

-- Hacker News 读者

  • 剑桥大学 发现一种方法,利用酶和一些化学品的混合物,只用阳光就将水分解为氢气和氧气。这为生产和储存能量带来了新的方法。
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