权力经纪人：资助能源革命

密歇根州立大学发动机研究实验室通常很安静，但到了八月的这个上午，每个人都紧张起来。然后，在中午前几分钟，助理工程学教授诺伯特·穆勒接到了他们一直在等待的电话：能源研究领域最具影响力的人来参观穆勒的工作。

这位身材高大的德国人大声宣布了这个消息，然后沿着用煤渣砌成的走廊快步走向前门，同事和研究生们纷纷跟上。他们涌上人行道，踮起脚尖，眯着眼睛透过沥青路面的热能反射，这时一辆 SUV 停了下来，一小群人从车里走出来。最后，一辆拖船拖着一位身穿蓝色运动夹克和印花领带的男子出现，拖着他的随行人员穿过停车场，向人群走去。

阿伦·马宗达走近时举止克制，仿佛他计算过每一步的热量输出。他踏上人行道，伸出一只手，刚好够到穆勒的手，另一只手则紧紧地放在他身边。“很高兴见到你，”他说。穆勒是世界领先的热流体工程专家之一，他接见客人时，脚步不停。到目前为止，穆勒不得不依靠来自多个渠道的来之不易的五位数和六位数的资助来支持他的研究。马宗达给了他 250 万美元。在穆勒的世界里，马宗达拥有巨大的权力。他有数亿美元可以分配给高风险项目，就像穆勒即将公布的这个项目一样。他来这里是为了检查他的投资情况。

47 岁的马宗达是高级研究计划署能源部（Arpa-E）的负责人，这是一个新成立的联邦机构，它向穆勒和其他企业和大学研究人员投入了数百万美元，以寻找产生、放大和储存能源的新方法。大多数研究人员都在努力在既定的研究领域取得渐进式进展，他们大多能获得小额资助和投资。但 Arpa-E 的资助者有能力追求疯狂而雄心勃勃的想法。他们的成果包括能从二氧化碳中制造汽油的细菌、熔融硅光伏晶片和空中风力涡轮机。

每隔几周，马宗达就会巡视受助者，检查他们的进展情况。这并非是一次视察，但当穆勒将马宗达带进屋时，他显然很紧张。

小时候，马宗达经常在印度各地奔波。他的父亲是一名电信专家，在各个机场维修无线电设备。马宗达看到飞机起降，受到启发，开始制作木制滑翔机，并试验自己的模型飞机设计。中学毕业后，他参加了印度理工学院的入学考试，在 15 万名申请者中脱颖而出，获得了 1,500 个名额。最终，他成为孟买印度理工学院的尖子工程专业学生。之后，他获得了加州大学伯克利分校的董事奖学金，在热能专家 Chang-Lin Tien 的指导下学习热能和辐射科学，Chang-Lin Tien 后来成为该校的校长。

“他的理念是追求极端——要么非常小，要么非常大，”马宗达谈到他的导师时说道。“这就是有趣的科学发生的地方。”马宗达最终自己成为了伯克利的教授，专注于纳米技术、交通和能源转换。在业余时间，他开始为硅谷的初创公司和风险投资公司提供咨询。然后，他加入了诺贝尔物理学奖得主史蒂芬·朱的劳伦斯伯克利国家实验室，担任能源和环境副实验室主任。

当时，朱棣文正在谈论绿色能源孵化计划的必要性，并于 2006 年提议美国能源部成立一个风险承受机构，为私营公司不敢冒险的能源技术提供资金。奥巴马总统于 2008 年任命朱棣文为能源部负责人，而美国能源研究与开发署于 2009 年初从 2750 亿美元的《美国复苏与再投资法案》中获得了第一笔 3.88 亿美元的预算。

朱和马宗达效仿美国国防高级研究计划局 (DARPA) 成立了新机构。1957 年苏联发射人造卫星后，美国政府成立了 ARPA，后来改名为 DARPA。这颗卫星在太空领域先美国而后，引发了人们对我们摇摇欲坠的技术领先地位的恐慌。除了制造制导导弹和隐形技术外，DARPA 资助的研究还产生了历史上一些最有用的和平时期发明，包括手机、GPS 和互联网。马宗达解释说：“现在我们这一代人面临着我们自己的三颗人造卫星。它们是能源安全、经济安全和环境安全。”

自 1970 年代石油危机结束以来，能源研究一直缺乏政府资助，2009 年 ARPA-E 首次征集简短概念论文时，收到了大量提案——超过 3,700 份——导致能源部的计算机系统崩溃。这些提案并非全部都有说服力。“大约 27% 的提案不符合热力学第一定律或第二定律，”Majumdar 说。符合要求的提案由 Chu 招募的数百名全国顶尖科学家组成的小组进行审查。他们从中筛选出 300 名决赛入围者，并邀请他们提交完整的提案。最终，37 家公司入选第一轮资助，平均资助金额为 400 万美元（申请者需要获得非联邦来源的配套资金承诺）。“请注意，我们并没有将其分成 10 万美元的金额来发放 1,500 份资助，”Majumdar 说。“这不是冒险。我们需要提供足够多的奖励才能产生实质性的变化。”

尽管 DARPA 的创新成果有固定客户——美国国防部，但 Arpa-E 的创新成果必须在公开市场中生存。这些资助也吸引了一些私人资本参与其中。风险资本家和其他投资者被经过同行评审和国家顶级科学家审查的技术的盈利潜力所吸引，在首批奖项公布后的两个月内，他们向 Arpa-E 资助获奖者投资了约 3300 万美元。

在第一轮竞争激烈之后，第二轮的焦点是下一代电池、碳捕获和替代燃料。第三轮的焦点是电网规模的电力存储、光伏电子和 HVAC 的新方法。未来感兴趣的领域可能包括热存储、电力电子、光合作用效率的提高以及稀土元素提取的新方法。

和美国国防部高级研究计划局的情况一样，美国国防部高级研究计划局的大部分能源设想都无法付诸实践。麻省理工学院的唐纳德·萨多维 (Donald Sadoway) 是国防部高级研究计划局的资助者，他正在设计一种液态金属电池，他说：“但如果其中只有几个能成功，那么影响将是巨大的。”他表示，如果能取得正确的能源突破，该计划将使国家安全摆脱对石油的依赖。至少，它可以将太阳能和风能等能源变成我们能源组合中可行的一部分。

该项目开展两年后，马宗达的部分 Arpa-E 投资开始见效。穆勒的发明被称为波盘发动机，是柴油机和涡轮机的结合体，利用冲击波压缩燃料并传输能量。今天，马宗达将看到第一台工作原型机。

马宗达说，穆勒在很多方面都是典型的 Arpa-E 资助者，或者用 Arpa-E 不断发展的术语来说，是“表演者”。 “这个人有一个非常好、非常重要的想法，多年来几乎没有任何支持就一直在努力。我们国家已经失去了制造新型发动机的技术。如果我们要恢复这种创新，我们需要鼓励像他这样的人去冒险。这就是把人类送上月球的方法。”

穆勒带领马宗达和他的团队来到实验室，实验室里一个锅子大小的圆形装置放在工作台上。穆勒在拨款申请中表示，波盘比传统汽车发动机更轻、更便宜、效率高出五倍，可以让混合动力汽车的续航里程超过 500 英里。如果这些说法看起来有点雄心勃勃，那正是重点所在。马宗达告诉我：“如果我们要通过发明走出这场危机，我们就必须全力以赴。我们必须找到一种方法，将 100 年的创新压缩到未来的 20 年。”

看到这台连接着一系列传感器和进料管的机器后，马宗达的脸上露出了笑容。他蹲下来，摆弄着这台设备，显然并不担心自己的外套上沾上油污。然后，他蹲下来，开始向穆勒提出各种问题。“平衡是个问题吗？泄漏是个问题吗？最佳速度是多少？冲击波不会产生熵吗？”

这是一场猛烈的攻击。“要理解冲击波的作用，想象一下一颗炸弹，”穆勒有点结巴地说。“好吧，也许这个例子不太好。”他停顿了一下。“想象一下一只大黄蜂。它太重了，无法用那些小翅膀正常飞行，所以它会产生以音速传播的压力波，压缩空气以增加升力。在波盘内部，我们使用冲击波压缩燃料并利用它将能量转化为功。”

马宗达满意地点点头，然后又提出了一个又一个问题。后来他告诉我，他已经将“建设性对抗”这一从英特尔前首席执行官安迪·格罗夫那里借用的概念融入了 Arpa-E 的文化中。“当我们谈论科学和工程并评估新项目和提案时，我不再是主任，”马宗达说。“我们平等地辩论，只有好的、强有力的想法才能存活下来。这就是科学发挥最佳作用的方式。”

穆勒慢慢感觉到马宗达正在努力改进自己的工作，而不是贬低它。他逐一回答问题，紧张情绪消失了。我们走到一扇防护玻璃窗后面，在穆勒的提示下，计算机终端前的一名研究生启动了电动机，使发动机的内部叶片开始旋转。当转速表超过 1,000 rpm，然后是 1,500 rpm 时，这名学生瞥了穆勒一眼。

“我们现在不要开始燃烧，”穆勒说。“等速度稳定下来再说。”他看了看马宗达，然后又看了看屏幕，此时转速表正慢慢接近 2,000 rpm。最后，他向学生点点头：“好吧，让我们看看弗兰肯斯坦是否活了过来。”当我们在玻璃后面观看时，这位研究生正在给发动机加油并点火。波盘开始震动，然后开始运转。当它在桌子上嗡嗡作响时，马宗达的脸上露出了笑容。“它有心跳，”他说。

马宗达开始放松下来。他不断提出技术问题，但这些问题就像一位骄傲的父亲提出的问题。他与研究生们聊天——“你们学校有能源俱乐部了吗？”——并与穆勒谈论他获得私人资助的前景。然后，每个人都前往附近的会议室。当马宗达吃盒饭时，另一位密歇根州立大学教授向他介绍了由 Arpa-E 资助的生物反应器。与麻省理工学院的联合项目利用食氢细菌将二氧化碳转化为液体运输燃料。马宗达似乎不需要跟进该项目。他点头并提问，与每个人握手，然后就该离开了。他还有另一次访问要去附近。

之前，一项由政府资助的低调拨款计划就曾引发过技术革命。想想互联网的历史。1963 年，美国高级研究计划署 (Arpa) 向麻省理工学院的一组研究人员提供了 260 万美元，用于开发计算机分时系统。这项早期工作最终发展成为第一个广域分组交换网络阿帕网 (Arpanet)，而后者又成为互联网。根据经济合作与发展组织的数据，30 多年后，这笔 260 万美元的投资已在美国催生出价值至少 2500 亿美元的互联网经济。根据美国互动广告局 (Interactive Advertising Bureau) 2010 年资助的一项研究，仅靠广告支持的在线业务就为 120 万美国人提供了就业机会。

当前，数十个国家正在争夺清洁能源市场的主导地位，预计到2020年，清洁能源市场的规模将达到2.2万亿美元，而美国需要采取大胆的举措才能参与竞争。美国在公共能源研发上投入了大约40亿美元（不包括复苏法案支出），而日本和欧洲分别为31亿美元和33亿美元。但这个数字具有误导性。如果以国家对能源研发的投入占GDP的比例来衡量，美国的排名要低得多。日本、韩国、法国和中国在能源研发上的投入占GDP的比例都高于美国。而中国去年成为全球最大的节能技术投资国，并计划在未来10年内每年平均投入近740亿美元用于能源研发，以成为全球最大的清洁能源技术开发商和制造商。

Arpa-E 的影响将以节省的石油数量、减少的二氧化碳排放量、太阳能效率的百分比增加以及电池能量密度的提高来衡量。由于 Arpa-E 的资金是种子资金，旨在建造一个原型，以吸引私营部门的后续资金，因此项目通常需要十年才能确定是成功还是失败。

我们开车时，马宗达似乎正在接听一个普通的电话。“嗯，”他对着电话说。“如果他们声称可以将光伏发电的成本降低一半，他们有没有提供计算结果？如果没有，他们需要把结果发给我们，让我们看看。”他关上手机，转向我。“目前，太阳能光伏发电的安装成本为每瓦 8 到 10 美元，”他说。“如果一切照旧，我们可以在 10 年内将成本降至 1 美元。但如果我们在 5 年内实现这一目标，美国就领先了。”

马宗达今天的第二站是位于底特律郊区沃伦的通用汽车研究实验室。ARPA-E 的资金已经流向了大学研究人员和初创公司，但事实证明，通用汽车等大公司的研究人员，他们最有创意的想法并没有得到太多的公司支持。“大公司往往技术过硬，但创新能力不强，”我们驶入校园时马宗达说。

研究实验室拥有 16,000 名通用汽车工程师、设计师和技术人员，是该公司 50 多年来最大胆的工程成果的所在地。我们在研发大楼大厅见到了艾伦·布朗和简·阿瑟。阿瑟负责通用汽车的车辆开发研究实验室，布朗则负责领导该公司轻量热能回收 (LighTER) 系统的开发。布朗和阿瑟解释说，大约 60% 的燃料能量会进入水套或从排气管排出。他们的研究旨在从低品位废热中获取能量。

LighTER 系统使用一种拉伸线，这种线由一种形状金属合金（镍和钛的混合物）制成，加热时会收缩，冷却时会膨胀。“在混合动力系统中，这种线的线圈可用于驱动发电机为电池充电，”布朗在我们走向实验室时说道。“在传统发动机中，它甚至可以取代交流发电机，而不会对发动机造成任何负荷。”

桌子末端的装置是一团整齐的线圈和链轮，看起来像某种永动机。布朗递上护目镜，打开热风枪，模拟典型排气管内的温度。就这样，机器开始移动，随着电缆的收缩和膨胀，它通过大滑轮拉动自己。我伸出手，试图用手停下其中一个轴，但我做不到——它太强大了。

“我们的功率输出已经超过了任何热能收集设备的最高记录，”布朗自豪地对马宗达说，“但最大的挑战是冷却方面。我知道你有传热方面的背景，所以如果你在回家的航班上有什么关于如何快速冷却的想法……”这是受助者在道别前奉承恩人的话，但马宗达从椅子上跳起来，走向黑板。“我觉得你想引入一些湍流！”他说。马宗达抓起一块粉笔，开始提出问题——我们如何才能最大限度地提高热传递率？哪种形状的电线散热最快？盒子的形状呢？——他一边写，一边思考。几分钟后，他就开始辩论
布朗和他的团队提供了各种选择。

刚刚准备离开房间的年轻工程师们也停下来观看，被他们的表现迷住了。马宗达和布朗互相讨论着各种假设和想法，集思广益，直到马宗达几乎把黑板上的每一寸都写满了计算。“哇哦，”一位工程师摇着头对另一位说。“这种事情可不是每天都能看到的。”

马宗达擦去手上的粉笔灰，走向停车场，准备返回华盛顿。但通用汽车公司的人还有一样东西要展示给他：他们的新型氢动力测试车。今天很漫长，但他还是坐上了方向盘。马宗达显然很高兴能有一辆实实在在的原型车供他驾驶。他驾驶着汽车绕过技术中心人工湖的一端，来到一条直道上，然后踩下油门，飞驰而去。