院士专家在人民日报撰文谈世界科技发展新趋势

当前,新一轮科技革命和产业变革正在孕育兴起,全球科技创新呈现出新的发展态势和特征。本期“观察”版邀请有关专家学者从能源科技、生态环境科技、空间科技等方面畅谈“世界科技发展新趋势”。——编 者


多元化、低碳化、智能化和分布式

能源科技发展新趋势(势所必然)

陈勇

能源是人类社会发展的基石和动力。人类对能源的需求牵引着能源技术的革新与革命,而能源技术的革新与革命又影响着人类的生产模式、生活方式和社会管理,促进人类社会发展。当前,世界能源发展日益呈现出多元化、低碳化、智能化和分布式等特征。据专家们预测,未来全球能源消费结构中的化石能源将在2030年左右达到顶峰,而太阳能、风能、地热能、现代生物质能的占比将不断增加,并在2100年能源消费总量中的占比或将超过60%。为此,世界各主要国家纷纷调整能源战略,竞相争占能源科技这一新的战略制高点,以争取掌握在未来竞争中的主动权。


当今世界,能源的种类有很多,以大类划分可将一次能源分为化石能源、可再生能源、核能等,而每一类又包含了各种能源,如化石能源包含煤、石油、天然气、页岩气和天然气水合物等;可再生能源包含太阳能、风能、地热能、海洋能、生物质能和水能等;核能可分为裂变能和聚变能等。能源只有转化为能量才能做功、才能发挥作用,所以从能源转化的角度考虑,又可将能源分为两大类,一类在转化过程中通过消耗自身产生能量,例如煤、石油、天然气、生物质能和核能等,这类物质被称为自耗型能源。自耗型能源的研究内容主要以勘探、开采和转化工艺、过程为主,以高效和低排放为目标。另一类在转化为能量的过程中自身没有消耗,但需要能量转换的载体,例如太阳能、风能、地热能和海洋能等可再生能源,这类物质被称为他耗型能源。他耗型能源的研究内容主要以能量的收集与转换载体为主,以高效收集与转换为目标。由于生产载体的过程需要耗材、耗能,也会产生环境问题,因此从广义上看,可再生能源转换为能量的过程也具有不可再生性。所以,对于他耗型能源来说,能量收集与转换载体的生产工艺、原料的可持续性、废物再生利用以及环境性和生态性等都是未来能源科技发展中要解决的重大问题。


能源领域具有自身的特点和规律,这是能源科技发展的重要遵循。其一,能源领域投资大、周期长、惯性强。具体表现在研发投资大、工程建设投资大;研发周期长、工程建设周期长;能源技术应用的惯性强,一旦某种能源技术投入实际应用,将持续几十年甚至上百年。所以,能源科技发展必须面向未来,进行创新驱动,绝不能急功近利。否则,落后将意味着在几十年内受制于人,无论从经济上还是战略上都处于被动局面。其二,能源既具有经济属性,又具有战略属性和环境属性。所以,能源科技的发展必须兼顾这三种属性。从能源的经济属性出发,能源科技的重点应考虑成本、效率和附加值等,要以实现应用和产业化为目标;从能源的战略属性出发,能源科技就应重点考虑技术的先进性和创新性,要以技术储备和资源储备为目标,而成本和产业化就是次要的了;从能源的环境属性出发,应将有机废物的能源化利用作为重要的研究方向。因此,制定能源科技发展战略和规划时应将这三者进行不同定位、区别对待。这是未来能源科技发展的重要趋势。


遵循能源领域的特点和规律,能源科技发展应明确时空定位,适应本国国情,聚焦需求目标,实施创新驱动。就我国而言,面向今后5年,应以生态文明建设、低碳发展、美丽乡村建设、城镇化发展、节能生态智慧城市建设等重大需求为牵引,选择一批较成熟的节能和清洁能源技术,重点开展系统集成、优化以及实用化的研发工作,以尽快推广应用,如各种先进的工业节能技术、节能生态智能建筑技术、高效清洁煤利用技术等。面向未来20年(至2035年),应通过重大工程实施,示范实验一批已有一定积累的先进能源技术,如规模化的可再生能源利用技术、大型电力储能技术、轨道交通和纯电动车技术、页岩气开采与利用技术、特高压输电技术、新型核电技术和核废料处理技术等。面向未来35年(至2050年),应通过科技重大专项的设置,集中攻关一批核心技术,如太阳能、风能转换新原理与新技术,集收集、储能、发电于一体的光伏材料体系,能源植物(现代生物质能)的选育与种植技术,海底与冻土天然气水合物开发与利用技术,可控热核聚变示范堆技术等。


我国的能源科技发展要遵循能源领域的特点和规律,综合考虑能源的不同属性。为了解决现实问题、满足经济社会发展需求,可以采用引进、消化、吸收、再创新的模式,以尽快缩短与国际先进水平的差距。但从战略需要出发,还必须进行能源科技的自主创新、工程示范、推广应用,而不能只拘泥于成本和产业化,以避免出现从“能源匮乏”变为“技术匮乏”。(作者为中国工程院院士)


改善人类生存状况 支撑可持续发展

生态环境科技发展新趋势(审时度势)

曲久辉

健康稳定的生态环境是人类社会可持续发展的基础性保障,不断进步的生态环境科技是建设生态文明的重要支撑。自从可持续发展成为人类社会的共同目标后,生态环境科技的发展便焕发出与日俱增的活力。当前,全球性和区域性环境问题不断加剧,解决重大生态环境问题的需求十分迫切。面向世界科技前沿,面向生态文明建设的战略需求,面向环境变化的新挑战,未来生态环境科技发展将重点关注以下五个重大方面。


气候变化的生态响应与环境减排。气候变化对生态系统造成的持续性影响备受关注,可能导致的大量动物迁徙、稀有物种灭绝、生物群落破坏、生物多样性减少等生态后果,正深刻改变着生态环境科技的研究内涵与创新视野,从大尺度、长周期和非线性层面观察和探索水、土、气、生等生态要素对气候变化的响应规律与调控途径,成为本领域的前沿性课题。在此背景下,环境保护与治理也不得不改变以传统污染物控制为目标的既有关注,温室气体减排成为环境科技必须面对和全力解决的重大任务。与此同时,生态工业、生态农业和绿色人居等新领域蓬勃发展,循环经济、低碳社会成为人类活动与产业创新的主导方向,必将带动生态环境科技进入一个全新时代。


生态系统与环境变化的交互作用及协同调控。环境变化对生态系统的影响被提升到前所未有的高度,从生态学的角度认识和解决环境问题成为必然选择。为此,关于人类活动造成的环境变化对生态系统稳定性影响的研究不断深化,从导致生物多样性改变的关键环境因子识别到生态系统稳定性调控,基于环境影响的生态学理论和技术体系将不断完善。在此基础上,生态健康将成为与人类健康同等重要的重大课题,从生物、生态、化学、工程等多维视角全面揭示污染物对生态系统中敏感生物和生物群落的作用机制,将进一步奠定保障生态健康的科学基础。可以预期,未来的环境污染控制和治理将越来越多地依靠自然与生态学手段,生物操纵、人工湿地等必将在应用实践中取得新的原理和技术突破。


环境污染对人类健康的影响机制与风险控制。环境污染对人类健康的影响极为复杂,仍为当今世界的重大难题。随着认识和测试水平的不断提升,污染导致的健康风险渐被揭示,也提出了更多、更复杂的科技需求。虽然已经确定了少量化学物质的毒性,但绝大部分进入环境以及过程衍生物的毒性并不清楚,环境污染对人类健康的致毒过程和作用机制更是知之甚少,两种及以上污染物的联合毒性及其对人类健康的长期影响具有诸多不确定性,复合污染的健康风险成为本领域及交叉学科研究的长期方向。可以预期,环境毒理作为健康评估的重要手段必将得到快速发展和广泛利用,生命科学、物质科学的革命性进步可能使污染与人类健康关系的认识与调控水平产生飞跃。同时,不断完善环境基准和标准体系,全面创新大气复合污染控制、饮用水安全保障、土壤生态修复的理论和方法,实施符合区域环境变化特征的健康风险防控策略,是当前和今后的长期任务。


环境治理的绿色化、资源化和系统化。当前,风险控制成为环境污染防治的核心理念,其中加强化学品管理和风险控制是关键,在生产过程中将采用绿色替代、减量增效、循环和重复利用等方式,提高原子经济性和原子利用效率。不用或少用化学药剂的清洁处理方法将不断创新,膜、光(太阳光)、电、磁、超导、超声等物理新技术将被深度开发和广泛应用。以污染物去除为目标的末端治理模式转变为清洁生产、循环经济引领的资源化能源化模式,生活、工业和农业废弃物,或作为不同产业链条中的原料加以利用,或通过先进的生物、物理、化学、材料等技术转化为有用产品。环境治理与生态修复更加强调实施方案的整体设计,区域联动和城乡治理一体化,水、土、气、生等多介质污染协同控制,环境治理效率及生态效益将显著提升。


智慧环境建设与精准化管理。从单元到整体的数字化环境构建成为必然趋势,功能强大的系统设计和关键智能产品的创新突破将为智慧环境建设提供有力技术支撑。借鉴化学自组装、生物芯片、纳米材料、光电一体化等新技术,将研制出具有更高选择性、更高灵敏度和更高准确性的新一代环境传感器。高通量、高内涵、快速准确的监测方法和检测设备推陈出新,由遥感遥测、在线监测等构成的立体监测系统不断完善。在“互联网+”、大数据等新技术支撑下所构建的多元异构环境信息传输网络、大数据存储与融合处理系统等,将从根本上解决现有环境信息破碎化、局地化、平面化和不确定性等瓶颈问题,污染预警、质量预报和风险管理将更加准确高效。智慧环境建设不仅为精细化的环境管理提供强大支撑,无处不在的环境“慧眼”也使环境监督更加社会化和大众化。(作者为中国工程院院士、中国科学院生态环境研究中心研究员)


催生众多相关技术 提高人类生活质量

空间科技发展新趋势(大势所趋)

吴 季

人类近代以来的发展历程,与前数千年最大的不同是科学与技术成为人类社会发展的主要驱动力。特别是20世纪以来,科技推动人类社会飞速发展,其速度是以往无法想象的。进入20世纪下半叶以来,有两个科技领域的发展对人类社会产生了非常重大的影响,一个是信息科技领域,另一个就是空间科技领域。空间科技是从1957年人类发射第一颗人造地球卫星才开始的。


50多年来,空间科技从三个方面深刻影响着人类社会。第一个方面是空间科学及其探索极大地丰富了人类对地球所在的太空环境和宇宙演化的知识,并从地球这个人类的摇篮向外迈出了第一步,登上了月球;第二个方面是极大地改变了人类的日常生活,无处不在的卫星通信、卫星电视直播、卫星导航定位以及依靠卫星对地球观测的天气预报和灾害预报,成为我们日常生活中必不可少的要素,离开了这些技术系统我们甚至无法正常生活;第三个方面就是在国防安全领域,太空已经成为最重要的战略制高点,现代化战争的较量实际上已经从地面上升到了空间。由于这三个方面的重要意义,人类自1957年以来已经发射了近8000个航天器。进入21世纪,空间科技继续引领着人类社会发展,不断开辟新的前沿,呈现新的趋势。


在空间科学探索方面。长期困扰人类的重大科学问题,如宇宙大爆炸之后到星系诞生之前发生了什么、神秘的黑洞及其周边、暗物质与暗能量、地球之外是否有生命包括智慧生命等重大前沿科学问题,将是未来探索的重中之重。由于现有的观测技术均已被普遍采用过,因此,要获得新的数据和信息将主要通过新的探测方法,比如采用引力波探测技术、甚低频无线电谱段的高分辨率探测技术、常用谱段的高灵敏度探测技术或成像探测技术等。这一发展趋势不但可以持续产生新的科学突破,还能极大带动相关技术的发展,使其延伸至其他应用领域,带来潜在经济效益。这一点已经在前50多年空间科技发展历史中得到验证。比如,目前手机上使用的高分辨率相机,已经普遍采用了来自深空探测技术领域的CMOS成像技术。


在与人类生活密切相关的空间应用方面。中国的北斗卫星导航系统将为全世界用户提供独立于美国GPS系统的另一个导航定位系统,未来还将有欧洲的伽利略系统,再加上俄罗斯的格洛纳斯系统,全球用户将享用超过一百颗导航定位卫星的精度时空基准空间基础设施。在直接利用这些系统提供的时间和位置信息的同时,它们无形中还为其他应用间接提供了电离层、大气、海洋和地面反射信号带来的环境信息,因此伴生了全球导航卫星系统(GNSS)应用。另一个重要发展趋势是和手机应用相伴生的。当前的手机应用无论地图还是其他地理信息都是通过地面其他设施存储后提供的,没有运用空间观测的实时信息。如果能够将手机与空间对地观测的实时图像相联接,将大大拓展普通人的视野,使每个人都获得哪怕是准实时的、世界范围的视觉。可见,全球导航卫星系统再加上无处不在的对地观测大数据和个人智能移动终端,将催生众多相关技术的发展和新的应用。


在空间安全方面。即使不谈太空军事应用,人类仍有一个日益重要的问题必须面对,那就是如何清除越来越多的空间碎片或垃圾。它如同地球表面环境治理一样,是太空开发是否可持续的重大问题,将会随着时间的推移变得越来越紧迫。这是因为任何一次碰撞都会产生爆炸性碎片的增长,一旦这些碰撞产生连锁效应,空间将无法进入,人类也将不得不回到太空时代之前。因此,必须制定进入空间和航天器寿命末期自主再入大气层的准则,必须研究碎片清扫方法并实施碎片清扫计划。这个发展趋势将是不可避免的。这一点与我们现在不得不治理地球环境非常相似。


自人类进入空间开始,空间计划均由政府投入主导。基于空间计划的风险和对质量控制的要求,空间计划的实施也主要由政府机构和政府控制的企业实施。但这一情况从上世纪末开始发生了变化。越来越多的中小企业、私营企业开始介入空间计划。卫星的成本开始明显下降,微小卫星技术逐渐成为主流,承担重要空间计划。这些变化对空间科技的激励尽管是潜在的,但其发展是迅速的。这一发展趋势将会极大地促进经济发展,带动相关配套企业发展,使空间科技不再神秘,使政府控制的主要企业的效率进一步提升,并使政府在空间领域的投入向外围辐射。未来空间科技将在不断创新发展中继续促进经济高速发展,并通过与信息科技等领域的交叉产生新的应用,从而进一步提高人类生活质量。(作者为中国科学院空间科学与应用研究中心主任、研究员)


从“跟跑者”向“并行者”“领跑者”转变(适势求是)

潜 伟

中国曾是世界科技发展的“领跑者”。我们的先人发明了造纸术、火药、印刷术、指南针,在天文、算学、农学、医学等多个领域创造了累累硕果,对世界文明进步产生了深远影响。然而,16世纪以后,由于各方面的原因,中国在科技发展中逐渐丧失了“领跑者”地位,近代以后面对西方列强的坚船利炮只能被动挨打。


“世界强国,其民权国力之发展,必与其学术思想之进步为平行线,而学术荒芜之国无幸焉。”100年前,一批中国青年学子在美国纽约州的绮色佳湖畔创办《科学》杂志和中国科学社,促进“赛先生”在中国的启蒙传播,开启了“跟跑者”的科学救国梦。新中国成立以来,我国逐步建立起全面独立的科研体系,形成了世界上规模最大的科学技术队伍,取得了诸如“两弹一星”、超级杂交水稻、载人航天、量子通讯等一系列先进科技成果,为实现中国梦奠定了重要基础。正如习近平同志在2014年两院院士大会上指出的,“我国科技整体水平大幅提升,一些重要领域跻身世界先进行列,某些领域正由‘跟跑者’向‘并行者’、‘领跑者’转变。”


科技强则国家强。回顾人类历史,科技革命和产业变革对全球格局产生了深刻影响,不少国家就是借此机会在激烈竞争中后来居上的。英国在牛顿力学奠定了科学革命基础、瓦特蒸汽机技术催生了工业革命之后,成为世界霸主。德国在19世纪下半叶的化学工业革命中独占鳌头,并成为20世纪初物理学革命的中心,成功地超越了英、法老牌强国。美国在19世纪末的电气革命中崭露头角,并抓住第二次世界大战后发展核能和信息技术的机遇,终于成为了当今世界头号科技与经济强国。


当今世界正面临着工业文明带来的能源短缺、资源枯竭和生态恶化等巨大挑战,这些挑战推动人类谋求重大科技变革,引领科技创新的方向。以资源节约、环境保护为特征的绿色技术将大放异彩,节能、储能及新能源技术将备受关注,信息技术与新能源技术的结合将产生新型工业模式。近年来,世界主要发达国家竞相推出新兴产业发展规划和国家竞争力计划,都不约而同地将节能环保、清洁能源新材料等作为优先发展的产业,加大政策支持力度,通过科技创新实现可持续发展,提升国家竞争力。同时,为了拓展人类未来的活动空间,不断提高人类生活质量,空间技术受到高度关注,地球和海洋科学也将不断拓展人类新的生存和活动空间。


面对这样的科技发展新趋势,我国科技界同样在未雨绸缪,提前进行战略布局。为实现从“跟跑者”向“并行者”、“领跑者”转变,多年来我国已经在能源科技、生态环境科技、空间科技等领域取得了一系列创新成果。比如,我国一研究机构的人工光合制氢研究,利用太阳光分解水中的氢和氧,然后用氢做燃料发电,进而实现太阳能的转化利用,被认为是从根本上解决能源危机和环境污染的理想途径之一;中国科学家积极参与联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)第五次评估报告,为全球气候变化评估贡献中国智慧, 为人类社会应对气候变化提供科学依据;我国载人航天和其他空间技术取得了重大突破,探月工程成功实现回收绕月飞行器,独立研制的北斗卫星导航系统基本建成,遥感卫星进入亚米级的“高分时代”,世界最大的球形射电天文望远镜将在贵州建成。


国家实力此消彼长,科技是其中的关键。只有在科技竞争中成为“领跑者”,我们才能在未来发展中拥有主动权。当前,新一轮科技革命和产业革命正在孕育兴起,我国要在这场大变革中有大作为,广大科技工作者就必须树立能做“领跑者”的自信。(作者为北京科技大学教授)


《 人民日报 》( 2015年09月06日 05 版)

转自:http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2015/9/326302.shtm
发布日期:2015/9/6 发布者:网站管理员 点击数:1585【打印