2缩小核电规模
大胆设想：建造新一代小型的、模块化的、超级安全的核反应堆。
去年春天，日本福岛核电站的核泄漏事故给核安全蒙上了浓重的阴影。与此同时，核反应堆依然是唯一无碳排放的规模化发电方式。小型的模块化的反应堆提供了更好地安全利用核能发电的方式。奥克里奇国家实验室的高级项目经理，核工程师丹尼尔・英格索尔说，“小型模块化反应堆的设计取消了所有大型反应堆中可能导致事故的环节。”它们不仅更安全，而且成本（相对地）更低廉。传统的1600兆瓦核电站的造价约80亿至100亿美元，首先还必须取得建造许可。显然，一个8500万美元的300兆瓦模块化反应堆相比之下更有吸引力。而且它可以完全依靠国内供应链建造。“这意味着给美国创造更多的高科技职位，”英格索尔说，“它赋予我们夺回核能领导地位的机会。”
科学原理
在传统的核电站，水流过反应堆堆芯，加热后通过管道进入一个大容器，在其内部被转化为蒸汽。“早期的反应堆设计者们最为担心的是，连接两个装置的管道破裂，”英格索尔说，“如果发生这种情况，反应堆堆芯周围的冷却液将很快流失，一旦堆芯暴露，就可能出现非常严重的后果。”传统核电站有多套系统防止堆芯暴露，但是，模块化反应堆将整套系统的所有部件，包括蒸汽发生器都放进一个容器内，从而完全绕过这个问题。“这些设计在根本上不同于今天运行的大型核电站，”英格索尔说，“它们简单优雅，消除了因冷却液流失导致事故的风险。”全球有约50款设计中的模块化反应堆，其中多数为传统的轻水反应堆，使用水来冷却反应堆堆芯，也有的采用气体为冷却剂，效率更高，可以使反应堆达到更高温度。
下一步
美国核管理委员会正与核能研究所及一个工业集团合作，修改核电站审批手续，纳入专为模块化小型反应堆设计的新规则。“现有的监管方式必须改变，”核能研究所的政策开发主任保罗・吉诺亚说，“这些工厂的运行安全标准不会放松，但我们需要改变监管结构，在新设计采纳方面允许更大的弹性。”
田纳西河流域管理局不久前宣布，计划在田纳西州东部建造第一台小型模块化反应堆。如果获得资金，通过监管障碍，这台反应堆计划于2020年开始运行，可以为7万多个家庭提供电力。美国能源部正在乔治亚州萨瓦纳河实验室开发一种新型模块化反应堆。此外，伊利诺伊州阿格尼国家实验室和新墨西哥州桑迪亚国家实验室也在考虑模块化反应堆。
与此同时，俄罗斯、中国等国家也在大力推进类似项目。“我们正处于一场竞争，”吉诺亚说，“当我们开始部署这类小型反应堆时，我们是要自己建造还是从中国购买？”
3取之不尽的天然气
大胆设想：从永久冻结带或海床开采天然气，用于推动超高效涡轮机。
目前，美国使用的电力有25%来自天然气。这是一种相对清洁的化石燃料，每生产1瓦电力释放的二氧化碳只有煤炭的1/2.“如果不得不燃烧化石燃料，如果你关心环境，那么天然气将会是你的选择，”燃气涡轮机制造商Pratt & Whitney公司的副总裁艾伦・爱泼斯坦说。而且天然气储量丰富，价格低廉，日益受到欢迎。去年前5个月，美国天然气发电增加了5%。美国探明的天然气储量约284万亿立方英尺，可供连续使用11年。还有更多天然气被锁在永久冻结带，又称甲烷水合物或气水合物。全球范围内，甲烷水合物中含有70万亿立方英尺天然气―――按照目前的消耗水平，足够美国使用1000年。
科学原理
燃气涡轮机基本上就是粗糙的喷气发动机连接上发电机。美国国防部资助的一个历时近20年的项目可将燃气发电厂的效率提高到60%，超过其他所有能源发电效率。爱泼斯坦说，“这是人类已知的将热能转化为电能的最有效装置。”燃气涡轮机的另一大优势在于，天然气储量丰富且价格低廉，这要部分感谢水力压裂技术的采用。它使用高压水从页岩中提取碳氢化合物。水力压裂法由于众所周知的环境风险遭到很多人的反对，但是，在不久的将来，另一种储量更丰富的天然气可能被广泛使用。
甲烷水合物天然形成于大陆沿岸地区和北极永久冻结带，在这些地方，高压和低温导致水与天然气混合。在这样的条件下，水分子构成类似冰的晶体结构，将甲烷包裹在内。科罗拉多州矿业学院的氢氧化物研究中心主任，化学工程师阿马杜・K・萨姆说，这些水晶体中蕴含了大量天然气。海床上1立方米的甲烷水合物包含的天然气在室温和室内气压下可膨胀到165立方米。“这些甲烷水合物有着广泛应用前景，”萨姆说，“累计起来，它们包含的碳为地球上所有化石燃料总和的两倍。”
下一步
虽然近期取得突破，燃气涡轮机依然有改进空间。如果燃烧天然气的涡轮机效率可再增加5%，到2040年，则可节省1800亿美元的电费。“我是一个乐观主义者，”爱泼斯坦说，随着联邦研究经费的增加，“我认为，我们可以达到70%的效率。”
甲烷水合物是让这些涡轮机保持运转的希望。美国国家研究委员会的一份报告分析了开采甲烷水合物的技术挑战，结论认为，没有什么是不可以克服的。全球范围内，很多国家都瞄准了甲烷水合物的开采。中国、印度、韩国已经开始甲烷水合物开采项目。日本在一个实验生产项目上投入了10亿美元。2011年财政年度，美国国防部得到了500美元的甲烷水合物研发资金；在阿拉斯加北坡，一口名为IgnikSikum i（因纽特语，意思是“冰中火”）的实验气井计划于2012年开始生产。但是，其他国家已经远远领先于美国，它们投入的资金至少是美国的10倍。
4微藻燃料
大胆设想：用微藻充当汽车燃料。
玉米和甘蔗都是众所周知的生物燃料作物，但是微藻比它们更高效―――甚至比大名鼎鼎的柳枝稷更高效。一些微藻含油量超过60%，遗传工程师称他们还可以将这一比例提高。美国的生物燃料大多来自玉米。目前的一个问题是，大量农田被燃料作物占用，导致食品价格高涨。和玉米不同的是，微藻不和食物争夺农田。“微藻可生长在田边地角，甚至是农业和生活废水中，”内布拉斯加大学的生物化学家唐纳德・维克斯说，“它们是可持续性的，产量高，容易培植，还可以捕捉二氧化碳。”
如果能够规模化地培植含油丰富的微藻―――至少达到其他燃料作物今天的规模―――它们最终可以取代美国70%的交通用燃油（包括喷气燃料、汽油、柴油）。在目前，“每英亩微藻可收获5000加仑燃油，”维克斯说，如果将6000万英亩土地（相当于俄勒冈州面积）全部用于培植燃料微藻，“每年可收获3000亿加仑微藻生物燃料。”要完全取代美国每年消费的所有汽油则需要4600亿加仑。
科学原理
培植微藻用于生产生物燃料的关键是对它们进行基因改造，使它们的含油量提高。迄今为止，遗传学家们只深入地研究了一类微藻：一种常见的单细胞绿藻，学名莱茵衣藻。其他还有几千个品种同样可能是理想的生物燃料原料。维克斯说，“这方面的研究依然在初级阶段。”他将今天的微藻专家比作古代印第安人。经过8000年的栽培，他们将野生墨西哥类蜀黍植物变成了今天的玉米。“就微藻遗传学研究而言，我们还处在类蜀黍植物的时代。”
最近的突破也许可以帮助加快这一过程。研究者早已知道，在被剥夺氮的情况下，微藻可以生产更多的油。不幸的是，失去氮肥的微藻生长变缓慢。圣迭戈生物燃料公司SapphireE nergy的科学家找到了解决这个问题的办法。他们发现了一个即使在多氮条件下依然可以提高油含量的基因。通过操纵这个基因，研究人员培育出了一种生长迅速且含油量高的微藻。维克斯说，“我们才刚开始揭示微藻生物燃料的科学原理。”
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