马斯克的饼画得怎么样？ 博士新生们“吵”到了快天亮｜西湖笔记
西湖笔记
沈是
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2023年03月22日
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马斯克在3月初发表的演讲——“宏图计划第三篇章”——从全面淘汰油车到火箭“电气化”。外界戏称“马斯克的饼越画越大”，但如何辩证地思考这些议题，关乎材料科学，也关乎人类科技的发展。 原本，这些是媒体在采访材料科学讲席教授黄嘉兴的一堆问题，但黄老师把问题抛给了学生们——在《材料科学和工程专题课》的课堂上。按照黄嘉兴的话来讲，“人们习惯了找专家替我们解读，但其实具有一般科学通识教育背景的读者们，应该是可以通过认真调研来搞明白这些问题的。为什么不让博士生试试？” 这堂周五的课到中午12点结束，这十几位博士生随后就自发开始了一场分组研讨。工学院助理研究员郭凡和助教班大赛也加入了他们。 在郭凡的提醒下，首先厘清马斯克演讲原意，发现了一些翻译过程的误解。比如火箭“电气化”，其实指的是火箭燃料生产的电气化。 在研究问题前，先对问题进行审视，这也许是更严谨的学术态度。 在面对未知世界的时候，人总是希望能得到一个相对简单的答案。但答案往往是多面和复杂的，在接下来的讨论中，这个趋势很明显。 比如锂元素的提炼，涉及到多种工艺，究竟是高能耗还是低能耗？人类为了获得锂，付出的环境代价到底是什么？这背后其实涉及到不同地区有着不同的锂来源，有的是锂矿，有的是盐湖，有的是锂回收。 材料科学不是无源之水，它根植于社会的发展和需求之中，这也是黄嘉兴所深信的观点。虽然这只是一个课堂上布置的志愿者任务，但学生们事实上是在“替公众讨论出来”答案。 当下ChatGPT正火，同学们也用它试了下答案，“发现并不行”——它也许并不能很好地甄别相关信息的真伪。学生们通过查阅检索论文资料，逐步给出一个经过思考、讨论的答案脉络。对于文献材料的调研和辨别，也是高等教育里需要训练的能力。 而这个过程中，老师们所扮演的角色，不是直接说出答案，而是观察他们讨论的过程，并“拷问逻辑”。 让黄嘉兴和助理教授师恩政两位老师没有想到的是，讨论的热情一直持续，眼看着到了饭点，完全没有消停的意思，大家就在食堂预定了盒饭。周五的夜晚，等讨论渐渐收尾，两位老师和同学们整理和修订好回答，已经是第二天凌晨。 在料峭的春寒中，学生和老师们一个个融入夜色，黄嘉兴也骑上自行车回家了。他特别高兴的一点是，这一晚的讨论，老师们不断提问，积极引导，却“没有贡献答案”。
讨论课堂现场
Q:
如何看待马斯克说的，锂电池的关键限制在于原素的提纯，而不在于锂矿？
A:
目前锂资源供给主要有两种来源：锂资源的提炼加工和退役锂电池的回收。现阶段锂资源的提炼加工主要以盐湖提锂及锂矿石提锂的方式进行。
其中，电化学脱嵌法作为国际国内盐湖提锂的新技术具有能耗较低的优点，经计算反应能耗约为253~362度电/吨碳酸锂。此外，亦可通过吸附薄膜法，直接从富锂含盐水源中提取。近年来这种方法在我国应用越来越广泛。
可以说，锂元素的提炼占据了主要成本。
马斯克认为锂元素的提取是锂电池生产环节中最大的限制因素是可以理解的。锂元素的提取涉及上游产业的开采、精炼也涉及下游产业对于锂电池材料的回收。对于电池用的锂元素来说，与原材料的价格相比，锂元素的提纯精炼是更大的制约。所以在这方面加大研究和投入，将有助于降低最终的造价。
此外，锂矿的精炼可能会造成了严重的生态破坏，因此更加清洁、可持续的锂矿精炼技术亟待开发，这方面有待加大研究和投入。
马斯克称,特斯拉的下一代平台将减少75%的碳化硅，这似乎和目前碳化硅的热度背道而驰？碳化硅材料作为第三代半导体材料，在新能源汽车领域主要的应用方向有两个，包括动力控制单元和充电单元。相比于当前主流的硅基功率器件，碳化硅基功率器件能够让升压转换器将动力电池的输出电压升压到更高，同时也能让逆变器将直流电转变为交流电的频率变得更高。因此，碳化硅在动力控制单元上的应用，可以让新能源汽车续航更长，性能更强。而在充电单元的应用上，由于可以承受更高的充电电压，使得充电时间进一步缩短。马斯克在宏图计划中说到特斯拉计划在不影响汽车性能和效率的情况下，减少75%的碳化硅使用量。现有的科技水平是有望实现的，一种可能的方案是利用硅基与碳化硅基相结合的方案来代替纯碳化硅基方案。由于碳化硅的良率和有效产能问题，如果硅基与碳化硅基相结合方案能解决工程上如封装烧结工艺的问题，它可以在牺牲一部分性能的前提下，为特斯拉系列汽车带来极致的成本优势。然而从长远角度来看，由于碳化硅相较于硅基在高温、高压、高频方面的天然优势，碳化硅基功率模块代替硅基率模块将是产业升级的必然。综合来看，马斯克所说的减少75%碳化硅的使用量，很可能是基于目前有效产能和良率，对制造成本与整车性能的综合考虑。特斯拉提到其下一代永磁电机将完全不使用稀土材料。这是为什么？稀土是指在化学元素周期表中镧系元素外加钪和钇的一共17种元素的总称，稀土材料在汽车领域有十分广泛和重要的应用，使用量非常大，用于稀土永磁电动机，大幅提高电机转速；作为稀土动力电池的电极原材料，保障电池的稳定性、性能和寿命；也是尾气三元催化器中的关键成分；此外，在齿轮、轮胎、玻璃、车身钢材等都有着广泛应用。然而，稀土生产过程中的环境污染问题比较严重，会产生放射性污染、重金属和氟污染、氨氮和硫酸根污染，每年会产生几千万吨的废水。为了降低对稀土元素的依赖，目前很多实验室正在进行不含稀土元素的永磁材料的研究，比如制备铁-镍或者铁-钴原子周期性交替排列的晶体；或将钴纳米棒在外部磁场下排列然后冷压成型，磁性能可以接近含稀土磁体，此外，也有研究人员把研究重心放在铁基纳米颗粒上。虽然这些非稀土永磁材料的性能还有待提高，但是可以让子弹飞一会儿，相信未来会出现突破性的研究成果。Q:
让火箭实现电气化的需求是有必要的吗？
A:
电气化应该指的是火箭燃料生产的电气化。
火箭的运输成本及技术难点限制了其可携带燃料的容量，难以支持火箭离开其他星球进行下一步太空探索。火星上目前未发现可以直接使用的燃料；如果这些原料直接从地球运输至火星，暂且不谈技术难点，该方法必将产生天价运输成本。
例如，如果火箭发射需要 30 吨燃料，预计要耗资约 80 亿美元。因此，为了降低这一成本，直接在火星制造燃料便是最好的选择。传统火箭燃料是化石燃料，从能源利用及环境保护的角度出发，清洁能源的使用将是人类生产生活的终极目标。火星大气及地表下存在丰富的二氧化碳和水，正好可作为原料合成甲烷这种清洁高效的燃料。因此从科学原理上看，未来火箭电气化也不是不可能的。
正如马斯克在特斯拉投资者日上再一次提到的“合成火箭燃料的终极计划”，方法是通过合适的反应条件将火星上的CO2和H2O转化为CH4和O2，从而为星际飞船返回地球或进行下一步太空探索提供能源动力。从技术上来讲，该思路是可行的。
我们可以想象其中的技术难点可能在于找到合适的催化剂和建立能源供给基地。好在科学家从未停止对这些技术难点的探索，目前在实验室已通过化学和生物方法证实了CO2转化为CH4的可行性，例如已有CO2→CH4电化学转化的报道。在生物方法方面，科学家们已经改造了很多微生物，使其能直接或间接产生甲烷；另外在化学方面，可以在火星建立太阳能或其他可再生能源发电站，用于驱动电催化反应。
而上述仍是化学推进系统，即常规的燃烧化学燃料为火箭推进提供动力。目前人类所有的火箭发动机，都是基于作用力与反作用力的基本物理规律获取动力。为实现火箭的电气化，科学家推出了以电和磁为基础的推进器如离子推进器，霍尔推进器及太阳能电力推进器等。
火箭推进系统最重要的三个参数是推力（Thrust），质量密度（Mass efficiency）和能量密度（Energy density）。化学推进系统通常可以提供很大的推力，但燃料的质量效率与能量密度都不及电推进系统，然而电推力通常远小于化学推进系统。因此，将电力推进系统与太阳能或核动力推进系统结合起来，应该更具可行性。
即使不考虑星际旅行，马斯克提出的这些问题也是值得深思的。
