2017年1月27日

陳剛:發展綠能 解決全球暖化的迫切問題

作者/林宮玄(本刊副總編輯。)、文詠萱(本刊編輯。)




陳剛教授任職於美國麻省理工學院(Massachusetts Institute of Technology, MIT)機械系,除了在工程上的研究,研究的主題也常牽涉到基礎科學,並發表在物理領域的權威期刊。陳院士的研究團隊主要專注在奈米尺度的能量傳輸、轉換與儲存。奈米(10-9 公尺)已經很接近材料中的原子間距(埃,10-10 公尺),許多應用於大尺度下的物理模型,譬如熱傳輸,在奈米尺度已不適用。目前元件很多已經小到奈米尺度,小尺度下的性質研究很重要,也跟能源課題相關。MIT 在科學與工程領域,是世界上屬一屬二的頂尖大學,而陳剛院士目前為MIT 機械系主任。藉由陳院士來臺參加2016 年中研院院士會議的機會,我們很榮幸訪問到陳剛院士,分享他的研究與MIT 教育理念。



談談麻省理工
科學月刊(以下簡稱科):您目前是麻省理工機械系的系主任,請問你們是否有特別舉辦一些招生活動?你們想找什麼樣的學生?

陳剛(以下簡稱陳):首先,MIT 大學部招生不是以系為主,是整個學校統一來招生。學生入學第一年是不分專業的。第二年學生想到哪個專業,都可以,每個院系不會拒絕想來系上的學生。至於招生,我們當然是想招最好的學生,學校有各種方法來吸引學生,譬如為了增加麻省理工的女生數量,我們每年夏天會舉辦「女性科技計畫(Women Technology Program)」活動,專門遴選全球優秀的高三女學生來參與4 周的活動(機械系選20 個;電機系選40 個)。因為很多高中女孩子可能對工程不是很瞭解,我們可以讓她們瞭解工程是什麼。

科:您提到MIT 第一年不分系,所以MIT 是以學院來招生嗎?有文科的學院嗎?

陳:是以整個學校招生。我們文科的學生不是很多,因為是麻省理工,是吧?主要是讓剛入學的學生,第一年有足夠的時間考慮他們要選的專業。

科:因此生命科學背景的學生,也有機會進入機械系嗎?

陳:我認識一個學生,本來想要學生物的,後來到了我們系。他們有很大的自由度,因為很多時候,他們高中時對哪一個院系具體在做什麼,並不是特別清楚。到了學校,他們有更好的瞭解以後,再做這個決定。MIT 第一年不分科系是傳統。我們的理念是,高中生並不完全知道想學什麼,而且有些學科他們也不是很瞭解。進了學校先瞭解以後,再跟高年級同學談,從各種管道讓他們做更好的決定。

科:臺灣的學制是大學一年級有必修課程,MIT 大學一年級有必修課程嗎?

陳:我們也有必修,但在各個領域中有很多選擇,包括人文、數理、生物這些方面。我們要求廣式(通識)教育。一年級的學生很多是修物理、化學、數學、生物這些方面。但一般在4 年之內,每一學期都有人文的教育。

科:臺灣的大學系所,還是有系的框架,也許MIT 的作法可以提供參考。請問你們系有做高中生推廣教育的工作嗎?

陳:剛才講我們有女性科技計畫,還有其他為中學生辦的活動。除此之外,部分教授自己夏天的時候會帶進高中生做一些實驗。不過我們教授都很忙,學校也有規定年齡問題,具體執行起來不容易。很多實驗,因為安全我們也不能把高中學生帶到實驗室,所以教授要花很大的勁。高中生能跟著做研究,對他們是一個很好的經歷。我經常收到高中生寄來e-mail問我們問題,很多時候我沒時間,就轉寄給我的學生們看他們有沒有興趣回答。有的學生就會說,這個高中生我來回答他一些問題。這種事情我們非常鼓勵,我們做教育的,希望能保持高中生的熱情,幫助他們解答一些問題,我們很樂意做這些事。我們也有高中生到學校,進入實驗室做實驗,甚至發表文章。

科:很多高中或是大學階段的學生,他們可能立志想要成為科學家或工程師。此時您會建議他們如何保持熱忱,往這個方向前進?

陳:這個問題我想是因人而異。我是幾個新生的導師,當中有個學生談到高中時參加很多工程之類的活動, 如FIRST 機器人競賽(FIRST Robotics Competition),這是由許多高中生,甚至國中、小學等學生自己組織學校團隊所參加的競賽。這個活動是從我們系開始,我們系上就有一門課教學生設計機器人,讓學生去參加比賽。FIRST 機器人競賽全球已有20 多萬學生參加比賽,很多我們的學生以前經常參加這個比賽。透過這類活動競賽,可以增加學生對工程、數理的興趣。

麻省理工學院著名的10 號大樓,畢業典禮等重要活動會在此舉行。(John Phelan)
研究工作與人才
科:您一開始做理論,現在也做實驗。發表許多基礎科學研究成果,但您又在機械工程學系任教。請問您對理論與實驗間,科學與工程間的界線,有什麼特別看法?

陳:我一開始的確是理論做的比較多,但實驗也有做一些。我訓練學生也是,讓他們大部分都要做理論也做實驗。我做了教授以後,一開始也是理論方面比較有建樹,但是隨著經驗的增長,覺得也必須做一些實驗。我覺得跨領域是美國一個非常大的優勢,特別是MIT。現在MIT 機械系的研究範圍包羅萬象,我們70 個教授的研究,包括了固體力學、流體力學、設計、製造、精密儀器控制機器人、能源、海洋、生物工程、生物醫學及微奈米技術。我們很強調做一個研究課題時,存在著什麼樣的基礎問題與應用背景。如果把基礎問題弄懂,我們就希望能在應用上有所貢獻。並不是所有的研究能做到應用,但我的信念是,如果基礎搞懂的話,就會留下很多有價值的工作,所以在基礎和應用方面,我們都儘量同時考慮。這一點在美國很普遍,譬如現在機械系有個教授對量子計算機的理論貢獻很大,他風趣的叫自己「量子力學工程師(quantum mechanics engineer)」。我們有做電池、太陽能及光伏(photovotaics)領域的,有做密度泛函理論(density function theory) 的, 連我自己都做這方面。因為現在的研究非常跨領域,如果大家只是侷限在自己以前的框框,很難有突破。我自己研究從基礎的,比如說密度泛函理論作為我們的工具,來做材料的設計,到材料的製造,到最後系統。同時我們也跟很多專家合作,進步也會快一些。

科:所以MIT 機械系在招聘教師時,如何考慮人選?

陳:招聘時有兩個重點,一個是最好的研究、最優秀的人才。另外一個,當然要考慮到我們在學科的發展方向,譬如在教學、系所裡的均衡發展。MIT 機械系從20 多年前,開始打破一些框框,現在我們的研究變得非常跨領域,大家也慢慢能接受。去年,系上有4個新進教授,一個是做力學,研究水凝膠(hydrogel)材料,他的材料做得特別優秀;另外一個是做電子材料生長,把石墨烯(graphene)長在別的材料上,對電子元件有很大的應用;還有做生物工程、流體力學等方面的。我們招聘的這幾個人,背景有的是物理,有的是機械,甚至還有電子材料、生物工程,我們能接受它,希望跨領域研究能創造對於社會有價值的研究成果。

科:您提到人選需要夠優秀,可以稍微再描述一下優秀的定義嗎?

陳:我們盡最大的努力評估,認為這些人最終會成為自己學術領域的領袖,這個就是我們的優秀。

科:您覺得現在的工作對您的意義是什麼?

陳:我自己覺得有意義的地方,一個在基礎方面,我們經常有一些新的發現。第二,我們的研究大部分有應用背景,事情做成的話,可以產生很好的社會價值。比如說熱系統效率,我們現在用的能量,只有40% 的利用率,60% 的能量都是作為熱扔掉。如果能把這些熱能一部分轉變成電能,對節能、減碳都是很好的。像我們把塑膠從不導熱變成很好的導熱體,我們也覺得有很大的前景。在環境方面,我們也做水的清潔處理。對我們來說,因為這些都關係到人類的持續發展,因此我們做起來也是很帶勁。

前衛的史塔特科技中心(Ray and Maria Stata Center),駐有計算機科學與人工智能實驗室、語言學系、哲學系等。(Robbie Shade, https://goo.gl/8nemmv)

科學研究的生活
科:在研究的過程中,很多學子在高中、大學對研究很有熱忱,然而實際進入了實驗室,有時候會遭遇挫折。您如何鼓勵遭受挫折的研究生度過這個時期?

陳:研究的挫折不是有時候,是大部分時間。我平常招收研究生的時候,我就跟學生說我有幾點要求:第一要有熱忱致力研究,第二要開放思維,第三點要會溝通。研究遭到挫折時,我覺得以上三點都有用。堅持動機的話,失敗就會再來。同時開放思維,一條路走不通,可能有別的路可以走。有時候山窮水盡疑無路,稍微變一點方向,可能失敗的會變成功。還有要跟別人交流,向別人交流的過程中,有時候你要跟別人解釋你的問題,可能自己就把問題想清楚了。像我們那邊有很多不同特長的人,經常跟別人交流,這個問題可能就會很快解決。不過做研究的話,大部分都會遇到挫折。每個學生畢業,要離開我的團隊的時候,我都讓他們做一個離開演說(exit talk),跟年輕的學生分享經驗。我自己都不知道。但是他最後還是做的非常成功,研究就是這樣。

科:全世界大部分的科學研究經費來自於政府。目前我看到不管美國、歐洲或現在的臺灣,希望納稅人的錢投入研發後,能產生對社會實質貢獻,譬如經濟成長或醫療進步。但科學研究的動機,主要是兩大類。第一是探索未知,滿足好奇心;第二是應用方面,以解決問題為導向。當您在寫科學研究計劃爭取經費時,您主要的動機是什麼?

陳:我的研究大部分是想解決問題,同時探詢這個問題裡面最基礎的東西,或者用什麼樣的基礎理念來解決這些問題。其實我們跟政府爭取研究經費,競爭很激烈。如果沒有很好的想法,也很難拿到經費。我們大部分還是問題導向,這並不是說我們應該放棄具有好奇心的研究,科學的進步是需要兩邊並重的。譬如最近發現重力波,幾十年的好奇終於得到證實,我覺得這種工作很重要,特別需要政府的支援。同時,我們做需要解決的實際問題,在初始的階段也需要支持。很多時候,大家應該知道做研究的過程中,很多是失敗的。我們做研究要有責任,要盡心去做。同時也要接受失敗,這種時候你不能說失敗的研究就是沒有對納稅人負責。研究如果都是成功的,那種研究可能就是雞毛蒜皮的,知道答案才去做研究。

科:您會如何說服預算審查單位,做研究會有失敗風險,但仍願意支持您的研究?

陳:我身為一個教授,最大的貢獻是在人才培養,一個研究即使失敗了,但是通過這個過程培養出了人才,知道怎麼做下一步的研究,知道如何問問題並解決。失敗再來,從中學到新的東西,這就是失敗為成功之母,因此我覺得研究的過程有一個很大的成果,就是人才培養。我們的產品就是人才,大家有時候不太看到這點。至於如何說服納稅人?我們申請計劃不是納稅人直接審查,而是由同行專家來評估你的申請。我們有新的想法時,評估的都是專家,他會覺得你的方法很有競爭力。關於納稅人,我覺得這是我們所有科學家的責任。我們需要向社會解釋我們的工作為什麼重要,為什麼要支持基礎研究。MIT的網頁做的很好,首頁上就是MIT的新聞,大部分都是最新的研究成果,但是用大眾化的語言去解釋,我覺得我們這方面很成功。同時,MIT的教授也經常被邀請到電視臺、電臺,或者各種公共講座,給不是專業人士的納稅人講解我們的研究。這個就是我們對社會的交待,一般民眾需要瞭解並在這方面受到一些教育,知道我們在做什麼,瞭解我們要做的研究,如果成功,對社會將會有很深遠的影響。

應對全球暖化
科:目前能源議題非常重要,包括石油危機、再生能源及綠色科技,我們希望能有效率的轉換能源。您是這方面的專家,您對未來的能源危機樂觀嗎?您認為未來有沒有辦法解決石油危機?

陳:現在大家最關心的不是近期內能源的缺乏,最大的動力是全球暖化。人類的活動大幅增加了大氣中的二氧化碳,所形成的溫室效應導致了全球暖化。我們有一個很大的目標,就是減少二氧化碳排放量,而綠能有這方面的優勢,不論太陽能或風能。這個挑戰是巨大的,我們目前需要的能量是10 幾個兆瓦,而太陽光,在地球上的能量每平方公尺只有100~1000瓦。雖然地球有這麼多空間,但是製造成本是個問題。如果整個電網全部是太陽能挑戰也很大,雲層來了,電能就沒了。怎麼樣儲存能量,也是很大的挑戰。6、7 年前,當時1 瓦的太陽能,總成本可能要花7 美金左右。現在已經降到只要1~2 塊美金之間。美國能源部的目標價格是降到1 塊美金,這樣就可以跟石油能源競爭。目前來看,在有些地方,太陽能已經可以和石油能源競爭。我覺得前景滿好的,但是真正的道路也是非常艱鉅曲折,這裡面還有很多問題需要解決。

科:雖然利用太陽能很乾淨。但是電池的儲能是重大的問題,從工程的角度來看,製造太陽能板及電池,也需要能源,對環境需要付出代價。總合起來,真的對地球是好的嗎?

陳:這個是一個很好的問題,我自己沒做非常詳細的研究,我有些印象,在製造太陽能板過程中需要的能量,可能要2 年才能回收,我不是很精確。看什麼材料,什麼過程,我覺得是科學家和工程師可以做貢獻的地
方。如果製造過程對環境有害的話,大家應該做這方面的研究,去改善這個過程。總的來說,我覺得太陽能光伏是一個對地球有利的,再考慮能耗及環境,應該是有效的方法。

科:您提到美國政府希望降低太陽能板的成本,請問成本能夠降低的原因是什麼?

陳:我們系裡的教授,做了很詳細的成本分析。任何產品都有兩種成本,一個是設備的資金,另外一個是製造過程的成本。譬如矽是太陽能板的材料,大家在努力減少矽在切片過程中的浪費。切的薄一點,用的材料少一點,可以減少成本。切的過程中,切線有一個厚度,那一點材料是浪費掉的。我們系有一個教授開了公司,創新出不需切割矽的製造過程來減少成本。目前來說,特別是在中國大陸,成本已經降低很多,基本上達到美國能源部的目標── 1 瓦電只需1 塊美金。當中的50 分錢是用於製造1 個太陽能板,另外50 分錢用在安裝。現在中國大陸已經做到將近50~70分美金的太陽能板價格,他們是靠經濟規模,大量製造來降低成本。至於安裝的成本則很難降低,需要政策幫助。從技術方面,可以降低價格;從政策方面,也可以降低價格,這需要大家共同努力。

(編按:特別感謝陳剛教授百忙之中,協助確認本訪問稿正確性。)

1 則留言:

宇宙人生 提到...

標題:地球暖化的原因是什麼?
台灣師範大學物理討論區網址http://www.phy.ntnu.edu.tw/demolab/phpBB/viewtopic.php?topic=27936
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1:tnrobert榮譽點數39點(大學理工科系)張貼:2017-10-28 16:18:55:
大家好!
你們認地球暖化是什麼因素造成的!
普偏科學界都認為地球暖化是二氧化造成的!但真是如此嗎?

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2:施伯仲 (大學)張貼:2017-10-28 22:59:30: [回應上一篇]
http://www.shs.edu.tw/....../2010/03/2010033018131924.pdf

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3:tnrobert榮譽點數39點(大學理工科系)張貼:2017-10-29 00:58:20: [回應上一篇] 速度 輻射 ,本留言獲[]給賞金共 1 點

Quote:

在 2017-10-28 22:59:30, 施伯仲 寫了:
http://www.shs.edu.tw/....../2010/03/2010033018131924.pdf

所以施先生你認為CO2是原兇!
在檔案 http://www.shs.edu.tw/....../2010/03/2010033018131924.pdf
第五頁

E、過去五十年來,全球平均氣溫有史以來最快的速度持續上升

這篇文章是在2010年寫的,我將2010減去50年等於1960年。
在1960年以前一定發生什麼大事才導致地球開始暖化!
節能減碳綠能世界固然是美好的事,但如果我們把暖化問題弄錯了方向,
又那麼頑固,豈不是死路一條,地球人可能會因此而消失!
據我所調查的地球暖化的訊息
(1)大部人們認為是二氧化碳
(2)大陽輻射
(3)地磁減弱(有人認為地磁反轉)
(4)1960年以前人們在地球上做核子彈試爆
以上你們會認為那一種才是地球暖化的原兇呢?
說真話!說實話!二氧化碳理論是在混水模魚!

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4:tnrobert榮譽點數39點(大學理工科系)張貼:2017-10-29 22:48:48: [回應上一篇] 磁場 輻射 能量
太陽閃焰釋放的能量,對地球而言:「面向太陽一邊每日吸收能量是固定的,在背向太陽的一面釋於能量,吸收與釋放達到平衡。」
然而我想大家不致於不知道行星的磁場是可阻止太陽輻射直射進入地表,可是偏偏地球磁北極磁場減弱,這意味著地球北半球會超額吸收太陽輻射能!所以這才是真正的地球暖化原因!而不是CO2!
請問各位地球上的所有科學家,你們知道為什地磁會減弱嗎?

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5:tnrobert榮譽點數39點(大學理工科系)張貼:2017-11-01 08:38:20: [回應上一篇] 核分裂 電場 輻射 能量 磁場 半衰期 地球磁場 放射性 原子

我們知道高温受熱的磁鐵,磁力明顯減弱。而核能電場是是利用核分裂或核聚變所釋放的能量產熱力發電!
因此當人類製造核彈在地上或在高空爆炸,會產生許放射性物質稱為輻射塵,例如銫137半衰期就要30年,這些
輻射塵依會產生釋放核能產生熱!
當人類在空中引爆炸核彈,這些輻射塵將順著磁力線掉落南北兩極!若在北半球引爆核彈其輻射塵將會掉落到磁北極;
若在南半球引爆核彈其輻射塵將會掉落到南極;這就是為什麼地球磁場會減弱的原因。

核彈爆炸導致地磁減弱,地磁減弱導致太陽輻射大量射入地表,因此導致地球温度平衡點升高,導致海流改變,
………地震洪水不是天災是人禍,人類天真無知最後將是一場空前大悲劇!

1945年7月16日, 美國 進行了世界上第一次核爆炸實驗。
1945年8月6日8點15分43秒,美國用 B-29超級空中堡壘轟炸機 運載“ 小男孩 ”2萬噸當量原子彈轟炸 廣島城市
中心12平方公里內的建築物全部被毀,全市房屋毀壞率達70%以上。
1945年8月9日10點58分,“ 胖子 ”原子彈被投放於長崎。
此後,蘇、英、法相繼進行了核爆炸試驗,接著又進行了威力更大的氫彈試驗。據統計,地球上已記錄到約2053次核試驗。
美國1093次,其中200次為大氣層核試驗(11次高空,81次中空,72次地面,36次水面),888次地下核試驗,五次水下。
前蘇聯進行715次核試驗,其中大氣層212次,地下核試驗500次,水下3次。法國188次,英國43次,中國45次,印度6次,
巴基斯坦6次,北韓2次。
2006年北韓核試驗
2009年北韓核子試爆
2016年9月北韓核子試爆
2017年9月3日北韓在台灣時間3日早上11時30左右氫彈試爆!
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6:mantjam(大學理工科系)張貼:2017-11-03 17:15:56: [回應上一篇]

真的非常驚訝!你也得到這結論。
提一個類似的問題,
國中課本所教的,造成臭氧破洞原因是氟氯碳化合物。
但這怎麼解釋破洞偏偏選在無人的南極?
而這很可能也是核爆引起的。
政府真的沒人知道?
是在愚民吧。

又有新聞說太陽黑子將在2019年到達最低點,恐怕迎來小冰河期。
到底會怎樣,很快就會知道了。

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7:tnrobert榮譽點數39點(大學理工科系)張貼:2017-11-04 01:20:16: [回應上一篇] 輻射

一開始時有人提出臭氧層破洞假說,當時我還不太注意這件事,直到有人謠傳二氧化碳造全球暖化!不是本人不相信這些假說!可是這些假說真是沒頭沒尾,又加上2012世界末日謠言滿天飛!所以本人在2010年著手調查並搜集網路所有可能地球世界末日的傳言與有關地球暖化現象,並分析這些傳言!而後接著又有人提出地磁變弱正反轉假說!真是莫名其妙!當時我真的毫無頭緒!但本人堅信每一個事件的發生都有其因果關係!若沒有相當的物理學知識是不可能把這些地球暖化現象連結起來!

如果沒有地磁,即使有臭層能抵擋住紫外線也阻止不了更高能太陽輻射!

我唯一能為地球做的事就是揭開真相!也希地球能平安度過危險期!更希望联合國的官員以及科學家能看到這個訊息!