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作者:崔興毅 來源:光明日報 發布時間:2021/5/31 9:06:35
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七位院士圍繞碳中和、新冠肺炎疫情、芯片、高鐵等前沿科技問題發表真知灼見——
科技攻關,奔著最緊急、最緊迫的問題去

 

編者按:

近平書記在5月28日召開的兩院院士大會和中國科協第十次全國代表大會上強調,“科技攻關要堅持問題導向,奔著最緊急、最緊迫的問題去”。5月30日,中國科學院七位院士從各自研究領域出發,聚焦國家創新發展戰略需求、前瞻學科領域發展方向,圍繞碳中和、疾病預防控制、集成電路等前沿熱點問題發表真知灼見。本版為您呈現院士們的精彩觀點,共同為這些“最緊急、最緊迫的問題”尋求答案。

科院院士、地質學家、氣候變化專家 丁仲禮

碳中和將帶來經濟社會大轉型

我國對國際社會承諾“二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值,努力爭取2060年前實現碳中和”。碳中和是指二氧化碳的人為排放量被人為作用(木材蓄積量、土壤有機碳、工程封存等)和自然過程(海洋吸收、侵蝕-沉積過程的碳埋藏、堿性土壤固碳等)所吸收,實現凈零排放。

丁仲禮表示,碳中和看似復雜,實際上概括起來就是一個“三端發力”的體系:第一端是能源供應端,盡可能用非碳能源替代化石能源發電、制氫;第二端是能源消費端,力爭在絕大多數領域實現非碳能源對化石能源消費的替代;第三端是人為固碳端,通過生態建設、土壤固碳、碳捕集封存等組合工程去除不得不排放的二氧化碳。

“碳中和將帶來經濟社會大轉型,‘技術為王’將在此進程中得到充分體現,即誰在技術上走在前面,誰就將在未來國際競爭中取得優勢。”丁仲禮認為,國家需要積極研究與謀劃,系統布局,力爭以技術上的先進性贏得產業上的主導權。

“三端發力”所需資金將是天文數字,無法依靠政府財政補貼完全滿足,必須堅持市場導向,鼓勵競爭,穩步推進。政府的財政資金應主要投入在技術研發、產業示范上,力爭使我國技術和產業的迭代進步快于他國。丁仲禮特別指出,在此過程中要防止能源價格明顯上漲,影響居民生活和產品出口。

評價國家、區域、行業、企業甚至家庭的碳中和程度,需從收支兩端計量。從能源消費角度看,“支”(即排放)相對容易計量;“收”(即固碳)很難精確計量。丁仲禮建議,國家應盡早建立監測、計算、報告、檢核的標準體系,以確保牢牢掌握我國碳收支狀況的話語權。

科院院士、光學專家 李儒新

高功率激光與高能粒子加速器融合前景廣闊

高功率激光和高能粒子加速器歸屬于不同的學科領域。近年來,兩個學科相互促進、交叉發展的趨勢日益明顯。

李儒新介紹,2019年中國和歐盟兩個實驗室獲得了超過10拍瓦的激光脈沖輸出。這種超高峰值功率超短脈沖激光被稱為最亮光源,可以提供前所未有的極端物理條件與全新實驗手段。

“而高能粒子加速器最初是作為人們探索原子核結構的重要手段發展起來的。”李儒新說,同步輻射裝置、自由電子激光裝置、閃裂中子源、對撞機等大科學裝置的核心都是高能粒子加速器。

高能質子和重離子加速器的一個重要應用是腫瘤的精準放療。“質子/重離子放療是當下最先進的腫瘤放射治療方法,目前主要用射頻加速器來加速高能質子和碳離子,昂貴的造價和維護費用極大制約著質子/重離子放療設備的推廣應用。”李儒新表示,基于高功率激光的質子和重離子加速器,有望降低腫瘤放療設備的造價和維護費用,“一個值得重視的方向是基于高瞬時輻射劑量的超短脈沖質子束治療,即FLASH放療方案。因為激光加速有利于獲得更短脈沖的高峰值流強質子束,從而達到超高的瞬時劑量率”。

“作為高性能的寬波段光源用戶裝置,基于電子儲存環的同步輻射光源在生命科學、材料科學、物理學、化學、能源科學等研究領域發揮了不可替代的作用。”李儒新指出,目前世界多國正在大力發展第四代同步輻射裝置。與此同時,超越第四代光源平均亮度,獲得2~3個量級以上提升并實現時空全相干輻射的所謂第五代同步輻射新原理新方法已被提出。其中,我國科學家提出的采用衍射極限電子儲存環電子束與高功率激光脈沖相互作用的角色散和調制—反調等新機制被認為具備實現第五代同步輻射的潛力。

科院院士、物理化學家 包信和

氫能發展是實現碳中和的關鍵

化石能源是溫室氣體的主要來源,實現碳中和意味著必須徹底顛覆工業革命建立起來的以化石能源為主導的能源體系,構建以非化石能源為主體的世界能源新結構。

在碳中和目標下,我國煤炭生產和使用的發展方向在哪里?“清潔煤化工的未來發展之路,勢必摒棄‘野蠻’的氧助氣化過程”,包信和建議,采用高效的催化劑和智慧的化學反應過程,在綠氫的幫助下,對煤炭分子進行精準剪裁,獲得我們需要的化學產品,最終實現精準的“分子煉煤”。

“氫能在未來能源構架中將與電力一起居于核心位置,氫能的發展是碳中和目標實現的關鍵。”包信和介紹,根據制取氫能所輸入的能量來源不同,氫可以被分為不同種類。“輸入的能量源于可再生能源,如光、風等發電用于電解水,這樣獲得的氫稱為‘綠氫’。只有綠氫會成為未來清潔可持續能源的核心。”

據統計,現在世界上每年消耗的氫氣在5000萬噸左右,其中96%來自化石能源,僅4%來自電解水,而且所用的電也并非全部來自可再生能源。包信和強調,在碳中和背景下,科技創新和資本投入要重點關注水電解,尤其要大力發展可再生能源驅動的大規模水電解制氫。

氫作為能源使用,要解決的另一個問題是儲存和輸運。包信和介紹,現今較常用的方法是高壓瓶儲氫,這種傳統方法經濟、適用、便于操作,也適合未來的加氫設施。“今年5月,我國第一款70Mpa塑料內膽復合氣瓶已經通過驗收,未來批量生產后,將為我國氫燃料電池汽車的規?;a提供很好的支撐。”

“根據原理看,只要是用碳作為能源和還原劑的地方,最終都能用氫替代,從而降低二氧化碳排放。”包信和建議,大膽顛覆現有的生產模式和范式,創新技術,在鋼鐵冶金、水泥建材生產、煤的直接煉制和化工過程中不斷革新。

科院院士、病原微生物與免疫學家 高福

預防是最經濟最有效的健康策略

人類同疾病較量最有力的武器就是科學技術,人類戰勝大災大疫離不開科學發展和技術創新。提高治愈率、降低病亡率,最終戰勝新冠肺炎疫情,關鍵要靠科技。

在武漢疫情得以控制后, 我國又出現了綏芬河、舒蘭、北京、青島等多次小范圍疫情。“我們通過基因組測序對病毒進行溯源,發現多起疫情是由進口冷鏈產品通過國際海洋漁業貿易受到較高負荷的SARS-CoV-2污染”,高福說,“SARS-CoV-2可通過遠距離、近距離接觸傳播給冷鏈裝卸或加工工人。”

“我們篩選出兩株單克隆抗體,CA1和CB6能夠阻斷 SARS-CoV-2-RBD與hACE2受體結合,有較強的中和活性。在非人靈長類動物模型中進行測試發現,CB6-LALA可以抑制SARS-CoV-2病毒滴度,并減少感染相關的肺損傷。”高福強調,這對病毒RBD蛋白表位的鑒定至關重要,將為開發疫苗提供有價值的信息,“分離出的具有中和作用的單克隆抗體CB6可能是一種潛在的治療藥物,目前中美均已進入臨床試驗。”

不同的新冠肺炎疫情防控策略都表明,疫苗可能是最終解決方案。高福介紹,目前,全球共有7條疫苗研發技術路線,共有272個候選疫苗,其中88個進入臨床試驗。我國目前有三款滅活疫苗、一款腺病毒載體疫苗或附條件上市,一款重組蛋白疫苗獲批應急使用。幾款疫苗均表現出良好的免疫原性和安全性。

“這次抗擊新冠肺炎疫情的實踐再次證明,預防是最經濟最有效的健康策略。”高福建議,把科學普及放在與科技創新同等重要的位置,“在新冠肺炎疫情中,公眾對科普的需求非常強烈。通過淺顯的語言將科學原理表述清楚,真正回應公眾需求,讓大家能夠及時接受準確的信息,是廣大科研人員需要共同努力的方向。”

科院院士、生物海洋學家 焦念志

中國應全面進行海洋負排放科學規劃

氣候變化關乎全人類命運,碳中和是應對氣候變化的有效措施。“實現碳中和,不僅要減少碳排放還要增加碳匯。自然碳匯無法滿足碳中和需求,必須主動增匯,即實現負排放。”焦念志指出,海洋儲存了地球上93%的二氧化碳,對調節氣候變化發揮著無可替代的作用。

焦念志介紹,中國領海面積近300萬平方公里,縱跨多個氣候帶,擁有廣闊的邊緣海。地處熱帶、亞熱帶的南海受西太平洋暖池影響,大洋特征明顯;地處溫帶的東海擁有寬廣的大陸架,物質運輸顯著;黃海是冷暖流交匯的區域;位于北溫帶的渤海是受人類活動高度影響的半封閉淺海。同時,上述海域還分別受到珠江、長江、黃河等大江大河的影響。多樣的自然海洋環境條件為我國實施各種類型的負排放提供了空間。

“我國基于微型生物碳泵MCP原創理論和國際上對海洋儲碳機制的認識,提出整合MCP、BCP、CCP的耦合儲碳機制(MBC),通過學科交叉研究,將突破單一儲碳機制的局限性,實現海洋儲碳最大化。”焦念志說。

迄今,國際上研究最多的海洋碳匯組分是紅樹林、海草、鹽沼等海岸帶藍碳,它們有著重要的生態系統服務功能。焦念志介紹,廣闊的海洋水體中其他碳匯組分儲量巨大,如肉眼不可見的溶解有機碳占海洋總有機碳量的90%以上,在地球歷史上對氣候變化起到了重要的調節作用。“在碳中和目標下,深入研究海洋儲碳的過程與機理,研發可行的負排放路徑與方法,建立海洋碳匯的標準體系,是擺在我們面前的當務之急。”

“目前,我們發起的海洋負排放國際大科學計劃(ONCE),得到了國際同行的積極響應,已有來自15個國家的科學家簽約。”焦念志提出,應全面進行海洋負排放科學規劃、及時布局相關研究與研發,盡快建立相關的方法與技術體系,通過 ONCE推出中國領銜制定的海洋碳匯/負排放有關標準體系,為構建人類命運共同體提供中國方案。

科院院士、微電子器件專家 黃如

線寬縮小不再是集成電路發展的唯一技術路線

集成電路技術的核心內容是提升單位成本硬件系統的信息處理、存儲與傳輸能力,并降低單位體積上的能耗。

“過去幾十年,集成電路技術在基礎理論的支撐下不斷突破技術瓶頸,拓展應用邊界,推動集成電路產業高速發展,每隔18個月將單一芯片上集成的晶體管數目提升一倍,電路單元面積縮小一半。”黃如表示,在上述迭代規律下,大規模集成電路的性能每隔一代提升約15%,功耗降低約40%,成本則降低35%左右。

黃如介紹,隨著集成電路技術的不斷發展,特征尺寸、集成度、性能、功耗、成本等摩爾定律特征從22 納米節點不再統一提升或縮減,研發成本從22納米節點以后顯著上升,集成電路技術的發展進入后摩爾時代。

黃如表示,近十年來在器件結構、材料工程、集成工藝、設計方法等方面涌現了諸多前沿創新,面向不同應用需求實現不同的集成度、能效比、性能等的折中優化,呈現出“百花齊放”態勢,支撐快速發展的多樣化信息應用需求。

“從22納米FinFET技術(代工廠的16納米技術)開始,盡管與經典的等比例縮小路線有所偏離,近十年來集成電路技術依然高速發展,在器件、材料、工藝等領域頻繁的技術迭代推動下,先進邏輯制造技術進入了5納米量產階段,2納米技術正在研發,1納米技術研發開始部署。”黃如介紹,先進的10納米級DRAM存儲器和128層V-NAND閃存技術也進入了市場。

“集成電路技術正進入重要的歷史轉折期,新原理、新結構器件結合新材料、新工藝技術、新設計方法風起云涌,學科交叉更強調深度和廣度的推進。”黃如指出,在先進制造技術的基礎上,發展三維集成技術、系統級協同優化技術,實現不同功耗約束下的多樣化系統集成,后摩爾時代集成電路技術發展呈現典型的“N分天下”新態勢,“經典摩爾定律與等效縮比等超摩爾新定律并存互促,為集成電路發展開辟了更多的道路”。

科院院士、軌道交通工程專家 翟婉明

未來高鐵向著更快更智能出發

短短十多年間,我國高鐵從無到有,形成了世界最大的高速鐵路網,總里程超過3.8萬公里,逐漸形成“公交化”密集運營。

翟婉明介紹了我國高鐵的發展歷程,并指出許多尚需突破的難題,如輪對、軸承、減振器等關鍵核心部件長期依賴進口,亟須實現我國高速列車核心部件自主化。“未來高鐵的發展應著重考慮速度、效益、節能環保和經濟性等技術指標的綜合提升。”翟婉明說。

列車速度是衡量一個國家鐵路發展水平的重要指標之一。翟婉明介紹,目前我國大量高鐵線路未達速運營,“設計時速350公里的高鐵線路中,目前僅京滬、京張、京津城際、成渝等4條高鐵達速運行,其余20余條運營時速均為300公里”。他建議,應盡快使我國高鐵按照設計標準達速運行,充分挖掘高鐵線路的運輸能力,提高效益。

“目前,歐洲、日本都在不斷研制更高速度的高速列車,為保持我國在速度領域的領先優勢,我國已啟動時速400公里等級的CR450高速動車組研制以及成渝中線高鐵線路建設規劃。”翟婉明指出,國際上對高鐵的最佳運營速度尚無定論,中國高鐵應當破題。

智能高鐵采用大數據、云計算、北斗定位、下一代移動通信、人工智能等先進技術,通過新一代信息技術與高速鐵路技術的集成融合,實現高鐵智能建造、智能裝備、智能運營技術水平全面提升。“但要真正全面實現高鐵智能化,還需突破諸多關鍵技術,比如構建高鐵列車智能調度指揮系統、建設智能高鐵車站、高鐵設備采用電子標簽管理等。”翟婉明介紹,我國近期開通運營的京張高鐵和京雄高鐵,已運用智能化列車控制系統實現了自動駕駛,標志著我國正朝著智能高鐵時代邁進。

(本報北京5月30日電 本報記者 崔興毅)

項目團隊:本報記者 崔興毅、陳之殷、王斯敏

 
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