太阳能是世界上最丰富、分布最广的能源，世界各地的研究人员都在探索将阳光转化为有用形式的方法。
大多数人都知道能够发电的太阳能光伏技术，以及能够生产热水的太阳能板。但太阳能研究还有另一个方向：将阳光转化为液体燃料。
太阳能衍生液体燃料（简称太阳能燃料）的研究，旨在生产一系列与当今能源基础设施兼容的产品，例如汽油、航空燃料和氢气。其目标是将阳光以液体形式储存起来，从而便捷地克服阳光供应间歇性的特点。我也是越来越多专注于这一领域的研究人员之一。
这如何实现？在汽车能够加注太阳能生成的燃料之前，还有哪些科学挑战有待解决？
加快自然过程
太阳能燃料的生产尤其具有吸引力，因为它同时解决了阳光利用中固有的转化和储存问题；也就是说，太阳每天只有三分之一的时间可用。与其他太阳能转化技术相比，这是一个显著优势。例如，太阳能光伏板必须连接复杂的输配电和储能网络（如电池），以应对电力产量与需求不相等的情况。
“太阳能燃料”这个说法并不十分准确。事实上，从技术上说，所有化石燃料都源自太阳能。太阳能驱动光合作用，使二氧化碳（CO2）和水（H2O）反应形成植物物质；数百万年间，植物物质逐渐分解，形成我们用来为社会提供动力的碳氢化合物。
一种热化学方法利用太阳热能，从水蒸气和二氧化碳气体中脱除氧。随后，在另一道工序中，将生成的气体进行化学合成，制成液体燃料。
Jonathan Scheffe，作者提供
这一过程的缺点是，自然界生成碳氢化合物的效率低得令人难以忍受，而人类对能源的需求从未如此之大。因此，目前化石燃料的消耗速度远远超过自然界单独生成这些燃料的速度，这促使人们通过人工手段提高自然过程的效率，加快太阳能燃料的生产。
这就是当今“太阳能燃料”一词的真正含义，但最终目标相同：将太阳能、CO2和H2O转化为汽油等化学形态。
走进实验室
制造人造太阳能燃料的第一步是分解CO2和/或H2O分子，通常生成一氧化碳（CO），或碳和氢气（H2）。这绝非易事，因为这两种分子都非常稳定（H2不会自发地由H2O形成！），因此这一步需要大量能量，由阳光直接以光子的形式提供，或间接以电力或热能的形式提供。
这一步往往是整个过程最关键的环节，也是当今太阳能燃料技术商业化面临的最大障碍，因为它在很大程度上决定了整体燃料生产过程的效率，进而决定成本。
经过这一步后，生成的分子——在此例中为一氧化碳与氢气的混合物，称为合成气——可根据所需的最终产品，通过多种现有技术进行转化。将碳氢化合物气体转化为液体的工序已在工业规模上实施；Shell Global Solutions Shell Global Solutions 和Sasol等大型企业利用这些技术，以当今低成本的天然气生产价值更高的液体燃料。
近期，一个由欧盟资助、名为 SOLAR-JET （太阳能化学反应器示范及可再生喷气燃料长期供应优化）的项目，首次展示了将太阳能转化为喷气燃料（即煤油）。研究人员将太阳能驱动的CO2和H2O制合成气（也称合成气）过程，与下游气转液反应器结合起来；本例中使用的是Shell位于阿姆斯特丹总部的一台 费托 反应器。
液体燃料的生产对航空业尤为重要，因为该行业依赖高能量密度燃料；与太阳能发电相比，这也是太阳能燃料生产的另一项重要优势。
我与其他几位研究人员参与了SOLAR-JET项目。该项目采用一种称为太阳能热化学燃料生产的工艺，利用光学设备——镜子和透镜——聚集太阳能，其原理类似放大镜能够引燃物体。随后，反应室吸收产生的热量，并充当化学反应器。吸收的热量通过一种催化式工艺使H2O和/或CO2解离，这是所有太阳能燃料转化过程中技术难度最高的步骤之一。生成的产物（氢气或合成气）随后可以被收集，并在下游进一步转化为液体燃料。
人工光合作用
还有许多其他策略可用于驱动太阳能燃料生产第一步所需的反应，包括直接利用光子，或以电力形式间接利用光子的策略。
例如，所谓的 人工光合作用 在催化过程中直接利用光子，而不是将光子吸收为热量，以分解H2O和CO2分子。
电化学方法则利用电力驱动H2O和CO2的分离；这些电力可以由光伏电池产生，分离过程称为电解。
迄今为止，所有这些技术商业化的主要障碍都与效率低下——即生产液体燃料所需能量的多少——以及整体稳健性有关。例如，上文讨论的SOLAR-JET热化学转化项目效率仍低于2%；但要使这项技术具备商业可行性，效率必须超过10%。
佛罗里达大学的一个团队在研究机构 ARPA-E 的资助下，正采用另一种利用光学设备产生热量的热化学工艺，朝着这些效率目标努力。然而，极端温度（超过1200摄氏度或2000华氏度以上）带来的稳健性问题仍令人担忧，目前正在设法解决。
此外，要使太阳能燃料生产真正降低温室气体水平，就必须结合从空气中捕集CO2的方法。这项技术仍相对不成熟，但 Climeworks 等公司正致力于将其变为现实。
再考虑到将随时间变化的能量输入（太阳）与化学反应器整合起来的复杂性，整个挑战的规模似乎十分庞大。尽管如此，各项进展仍在日复一日地取得，这让人们有理由相信，更高效的太阳能燃料很快就会成为现实。
本文由 The Conversation合作发布。本文的发布并不意味着世界经济论坛认可其中观点。
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作者：Jonathan Scheffe是 佛罗里达大学机械与航空航天工程系副教授。
图片：Concentrix Solar制造的一台太阳跟踪太阳能板原型机，在其位于加州大学圣迭戈分校的所在地收集能源。2011年2月10日。路透社/Mike Blake。
