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未来大都市生态蓝图:永不堵车的交通与地下超级电网

导读:为明天的大都市设计的生态蓝图向我们展示了清新的空气、清洁的水源和永不堵车的交通体系。

今年下半年,全世界的城市人口将有史以来第一次超过全球总人口的一半。而这种发展趋势丝毫没有减慢的迹象。到2030年,将会有超过50亿人居住在城市环境中现在的数字是33亿发展中国家的农村人口还在不断地涌入城市,寻求更好的教育和更高收入的工作。

这种发展不可避免的结果便是大城市。在亚洲和非洲,这种大规模的城市结构已经初见端倪。比如我国广东省的东莞就是个典型的例子,20年前这里还只是一个中等规模的城镇,如今已经拥有700万人口。更为极端的例子是尼日利亚的前首都拉各斯,到2015年,其人口总数可能会达到2400万人,而上世纪70年代时仅为300万人。这样的增长带来了深切的生态学问题。

年轻的大都市可能会成为一个个的噩梦如果它们像墨西哥城那样发展的话:在这座拥有1800万人口的城市中,劣质的供水管网络系统流失了40%的饮用水,而每年因为空气污染而导致生病的居民总计要损失掉相当于250万个工作日。

其实城市并不是一定要走上这条发展之路如果能够很好地进行规划,它们的结果会截然不同。

城市密度和理性的中心规划是首要问题,也是建设生态生存环境的第一步。就拿美国纽约来说:每个纽约市民所造成的碳排放要比美国的平均水平低2/3,这主要得益于其公共交通系统。而纽约市的供暖系统同样拥有很高的效率,这是因为它采用了辐射式的设计,公寓之间能够相互共享。还有很多重要的绿色法案,比如纽约市长麦克布鲁伯格提出的到2030年减少城市碳排放30%的计划,也起到了重要的作用。对于那些长期以来一直向往这样目标的新兴城市的规划者来说,这是最接近理想的状况。

但一座完美的大都市又该是个什么样子呢?在接下来的几页中,你将看到一些由科学家、工程师和设计者带来的最理想的设计方案。其中的解决方案包括自动化、人性化的公交车,飘浮在空中的通勤交通舱,摩天大楼农场,直接喷涂的太阳能电池和潮汐发电机。尽管其中有些可能需要再过50年才能投入商用,但它们却勾划出了一个未来,那就是利用绿色技术使城市成为它最希望变成的样子自给自足的可持续发展。

交通

自己驾驶公共小电车电动的City Car城市车[1]的灵感源于麻省理工学院的研究者。它就像是超市中的购物车:你可以从任何主要交通节点(比如地铁站附近的停车场)开走一辆这样的双座小车,将它开到你目的地附近的另一个交通站,把它停在那里,然后继续你的旅程。今天的汽车每天有95%的时间都是停着不动的,而且还霸占着本来就十分珍贵的停车空间,而这种小车在存储的时候还能够折叠起来。城市车最吸引人的地方还在于它提供了一种全新的能量消费方式:它通过车顶的太阳能板充电,还能在停车时将多余的能量输入城市电网。

没有司机的公交车为了减少拥堵和污染,城市可采用自动驾驶的公交车[2],它们依靠生物柴油和电力组成的混合动力驱动。公交车能够通过跟踪特定车道上安装的磁性标志停靠到乘客身边,同时由中央计算机控制选择乘客最多的线路、发车频率和总体的线路容量。

靠路上气流发电开得更快也能节省能源。由建筑师马克奥博赫兹发明的风力涡轮机将会排列在所有公路的中央,依靠从旁边高速通过的汽车所卷起的气流为城市电网供电。

低造价永磁体磁悬浮美国加州的Unimodal公司提出的Skytran是一种能够按照实际需要运行的磁悬浮轨道交通系统[3],它每小时最多可运送14400人次的旅客这个数字相当于一条3车道公路。一个个独立的双座客舱挂在一条单线高速轨道上,运行速度最高可达240千米/小时。到达目的地后,它们就会转入相互间隔400米的停靠车道,在到达和出发站台排成一列。轨道上排列着磁线圈,而轨道舱上所采用的是永磁体而不是耗费能量的电磁系统。整套系统的造价大约是每千米620万美元,这个数字仅仅是目前轻轨系统的1/10。

海藻公园生产氢气海藻动力公园[15]是一个大约330平方米的池塘,上面漂浮着一种由加州大学伯克利分校培育的特殊种类海藻,其制造氢气的能力将达到天然海藻的100万倍。在池塘底部的设施中,海藻释放的氢气经过脱氧、脱硫处理后被收集灌装到气球状的罐体中,每个气球中所收集的能量足够12辆车跑上一个星期。

人行道上收集踩踏能量建筑师詹姆斯格拉哈姆和泰迪伍斯朱斯凯克所设想的Crowd Farm[4]是一条能发电的人行道,遍布城市各处的人行道可以将每天无数次的踩踏能量收集起来。它的工作原理就像是直流电动机:在人体重量的作用下,安装在人行道上的地砖会轻微下陷并相互挤压,在这个过程中,有一台设备将其中的能量转化为电流。如果安装在繁忙的火车站,Crowd Farm所产生的能量可以用来点亮6500个发光二极管足够火车站的照明使用了。

食物和水

从海洋高效取淡水地球上的所有水资源中,只有不到1%能够饮用,缺少清洁的水源是大都市难以摆脱的烦恼之一。幸运的是,加州大学洛杉矶分校的材料科学家艾瑞克霍克已经创造了一种海水脱盐系统[16],能够将海洋变成一个巨大的水厂。霍克的发明是一种管膜,每个的直径只有人头发的十万分之一。这种尺寸能够阻止盐分通过,但纯净的水却能畅通无阻。亲水聚合物制成的涂层能帮助水穿过膜层,同时挡住包括细菌在内的其他物质。霍克的早期试验显示,这种薄膜的效率要比传统的蒸馏脱盐系统高50%。

管道机器人查漏水像纽约这样的大城市每天都会浪费掉4%的水资源,也就是将近13万吨水。为了及时发现和修补漏水的管道,伍兹霍尔海洋研究所的研究人员开发出了一种自动化的水下机器人[5],装备了视频摄像机和声纳来巡查供水管道。高楼里种庄稼农业是全球变暖的祸首之一。有机食品会好些吗?在运输和耕作过程中所使用的化石燃料同样会抵消掉它们在生态上带来的好处。一个更好的解决方案是在我们居住的地方种植农产品。一家名为Organitech的以色列公司所提出的垂直农场概念是一个有30层楼高、依靠机器人自动管理的无土栽培绿洲[6],它能够制造出足够养活5万人的食物和水。蔬菜漂浮在聚苯乙烯泡沫托盘上,其底部的轨道能够自动调节营养物质,并能将其移动到种植、培育和收获的工作站上。灌溉水源来自经过过滤的下水道废水,并经过斑马纹贻贝的净化。这样,水能够为这里超过100种的不同作物提供养分。

建筑

外墙作用大这座10层楼高的建筑[7]的基础来自法国建筑师杰奎斯费里尔的设计,其中到处都能看到对生态的考虑。外部的混凝土网格结构负责支撑整栋建筑的结构负载,上面覆盖着光电池和雨水管道。雨水进入一个中央提纯系统并为整栋建筑提供干净的水源。在建筑的顶部能安设风力发电装置,而底部的地热井可以取代空调和锅炉,大楼底部的恒温岩床能在夏天冷却水,或者是在冬天为其加温。多功能的气泡房

旧金山的IwamotoScott建筑公司设想了这样一种居民楼[8],它同时还能承担过滤水的工作,制造出可以安全饮用的自来水。这项技术的基础是一种智能的水外壳包裹着建筑物正面的厚厚的多孔外壳,雨水管道直接穿过里面的中空结构,在这里通过紫外线进行净化。在建筑物顶部安装有填充着盐溶液的枕头,当外界环境较热时,盐就会变成液态吸收热量,从而降低环境温度;当外面很冷时,它又会凝固起来,在释放热量的同时,还能起到隔热保温的作用。

能源

地下超级电网洛克菲勒大学的杰斯奥色贝尔提出的Supergrid超级电网[9]将超导电缆与氢管道结合了起来。冰冷的液态氢在通过管道网络的同时,能够为电缆降温,减少由电阻产生的能量损失。管道还能同时快捷地为交通系统传送氢燃料。

可喷涂的太阳能电池几乎每一座建筑都能为自己提供足够的电能,而这要依靠一种价格便宜、可以直接喷涂的太阳能电池[10]。由新泽西理工学院的化学家索米纳什密特拉发明的这种粘性溶液中包含有两种纳米微粒一种用来捕捉阳光,另一种能将它转化为电能。

高效风力电厂现有的风力涡轮发电机受到机械系统的限制,因为其中的轴承经常磨损。而在去年于北京召开的亚洲风能大会暨国际风能设备展览会(WindPower Asia)上出现的磁悬浮涡轮[11]能够解决这个问题。一系列垂直的叶片安装在钕永磁体上,完全摆脱了需要消耗能量的电磁。由于取消了轴承,摩擦力也将最小化,涡轮机在风力只有0.9米/秒时即可开始发电。单台磁悬浮涡轮发电机就能提供足够80万个家庭使用的电能。

潮汐涡轮发电机

根据科学家的估算,海洋能够提供20亿千瓦的能量,大约相当于今天全世界能源总消耗量的12%。驾驭这种能源的一种方案是潮汐涡轮发电机[12]。英国布里斯托尔的海洋发电厂正在爱尔兰海岸外的一个海峡中安装世界上最大的潮汐能涡轮发电机,其产生的能量足够1000户家庭使用。置于海底最深40米处(深度取决于当地潮汐情况)的涡轮机组能够像风车一样工作,在潮水上涨推动旋桨叶片转动时,就会驱动发电机的转动;而退潮时,只要切换转轴方向,还能让叶片反转继续发电。下一个投入建设的项目将在威尔士附近的海岸,那是一个由7台涡轮机组成的10500千瓦的发电设施。

靠海浪发电另一种方案被称为Wavebob[13],它能将海浪转化为电能。该系统拥有两个基本组件:一个是安装在沉于海中的重物上的中央圆柱体,另一个是环绕在圆柱体外侧、能够漂浮于海面的环形轻重量漂浮物。当海浪涌来时,外层的环状物就会随着波浪上下涌动,其运动速度要远远快于移动缓慢的中央圆柱体。两个部分之间通过液压机构相连,它们之间的相对运动会压缩液压机构中的油,从而驱动发电机运转。设备会监控海浪的情况,并据此调整液压阻力以便优化发电效率,在海流过于汹涌可能撕裂两个部件时,它还会主动将圆柱体与圆环分离,避免损伤。今年夏天,发明该设备的公司将会使用1/4比例样机在爱尔兰的戈尔韦海湾进行完整的试验。到2010年,全尺寸样机将能够产生1500千瓦的电能。该公司的首席执行官安德鲁帕里斯说:哪里有海浪,我们就去哪里。

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