文／本刊編輯部

“雙碳”行動：神奇的地下“井工廠”

文／高德利

在國家“雙碳”戰(zhàn)略目標的要求下，我們必須減排。把煤炭“換掉”行不行？立足于現(xiàn)實來說，這是很難做到的。

我們不妨換一種新的思路：把原本建在地面的煤制氣（氫氣及其它燃氣）、煤制油等化工廠及煤電廠，都“搬到”地下去，讓煤炭在地下實現(xiàn)綠色低碳轉(zhuǎn)化。

地下煤層中往往含有煤層氣，其主要成分為甲烷氣（學(xué)名），它還有一個恐怖的名字叫“瓦斯”。很多人都知道，煤礦瓦斯爆炸，是采煤過程中的第一大“殺手”。再者，在采煤過程中煤層氣如果被釋放到大氣中，還會導(dǎo)致嚴重的溫室效應(yīng)，等量煤層氣所產(chǎn)生的溫室效應(yīng)是二氧化碳的20多倍。

但從另一個角度來看，煤層氣其實也是一種低碳清潔的非常規(guī)天然氣能源。相關(guān)資料顯示，我國陸上煤層氣資源量達到71萬億立方米，其中埋深超過2000米的煤層氣資源量超過了40萬億立方米。在采煤前先將煤層氣開采出來，即“先采氣后挖煤”，這不僅能減少煤礦瓦斯災(zāi)害、保護大氣環(huán)境，而且還能增加天然氣供給，緩解我國天然氣供求矛盾。如何開采這些寶貴的煤礦資源呢？我們可以在采煤之前，首先在地下開設(shè)“工廠”，把危險的煤層氣開采出來，作為一種低碳清潔的氣態(tài)能源加以利用。

地下數(shù)千米的深處，人員作業(yè)的危險性和成本都很高，所以在地下開設(shè)“工廠”主要依靠定向鉆掘技術(shù)。這類通過鉆掘來建立的工廠顯然有別于地面上搭建的工廠，可以稱之為地下“井工廠”。

定向鉆掘技術(shù)在油氣行業(yè)內(nèi)已經(jīng)比較成熟了，對于地下深層的油氣，人們通常是在地下建立通道，讓油氣自己流出來。

雖然聽起來像水井一樣簡單，但實際上油氣井的結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，而且入地更深（如今我國最深的油氣井已超過9000米了）。

借助油氣領(lǐng)域定向鉆掘技術(shù)，地下工廠所需的管道、反應(yīng)室等孔洞，都可以按需鉆出來，可以控制鉆頭幾乎是“想去哪就去哪”。

我們有一個概念設(shè)計：首先在煤層頂部沿著水平方向打一個幾百米（甚至上千米）的生產(chǎn)井，并做適當?shù)脑霎a(chǎn)改造，配套各種設(shè)施和功能。而在煤層的底部，還要鉆一些水平加熱井，進行煤礦的加熱轉(zhuǎn)化。煤層氣會吸附在煤炭上，給開采造成難度，如果在煤層底部加熱，這些煤層氣就會解吸出來，最終進入生產(chǎn)井，使煤層氣增加產(chǎn)量，提高采收率。

在煤層氣采集完成的基礎(chǔ)上，可對地下“井工廠”進行適當改造，以便將剩下的煤炭轉(zhuǎn)化為氣態(tài)能源等。

可以說，這項技術(shù)戰(zhàn)略舉措對于我國深地煤層氣與煤炭一體化綠色開發(fā)利用來說，是極具突破性的一環(huán)。

（作者系中國科學(xué)院院士、中國石油大學(xué)（北京）石油與天然氣工程國家重點學(xué)科負責(zé)人、石油工程教育部重點實驗室主任）

科技自立自強：電磁護航，逐夢九天

文／蘇東林

電磁看不見也摸不著，但卻和我們的日常生活密切相關(guān)，很多人對于電磁干擾和電磁兼容不太理解，舉個簡單的例子，比如在家聽收音機的時候，如果你的手機接到一個電話，收音機就會受到很大的干擾，會變得異常刺耳，這就是典型的電磁干擾。

電磁干擾只在我們生活中有這么一點微不足道的影響嗎？其實不然，電磁干擾在歷史上造成過航母爆炸的慘重事件。

1967年，美國航母上的一個雷達，照射到艦載機上掛載的一個導(dǎo)彈，意外把導(dǎo)彈點燃了，最后引發(fā)了連鎖爆炸，導(dǎo)致了重大設(shè)備損失以及人員傷亡。

在我們的實際工作中也會時常遇到一些電磁相互干擾，導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)不能正常工作的情況，輕者使性能降級，重者可能還會出現(xiàn)一些導(dǎo)致安全事故的重大隱患。這就要求我們像偵探一樣，去尋找蛛絲馬跡。

2021年是我國的航空大年，我們建造了屬于中國人自己的空間站。12月9日，中國航天員在宇宙中完成了太空授課。最近總有人問我，為了不對飛機產(chǎn)生干擾，我們平時乘坐飛機都需要把手機關(guān)機或調(diào)至飛行模式，那為什么航天員可以在空間站里進行太空授課，通訊難道就不會對空間站的運行產(chǎn)生電磁干擾嗎？

其實，空間站以及其他的一些航天器上所用的通訊設(shè)備，在建造的時候就已經(jīng)通過了嚴密的電磁兼容設(shè)計，就是為了確保航天器的運行不受干擾。航天工程是一個非常復(fù)雜縝密的系統(tǒng)工程，它的穩(wěn)定運行凝聚了所有航天人的心血，假使一處電磁兼容沒設(shè)計好，就可能面臨重大的航天事故。這就要求我們不僅要解決航天器內(nèi)部各種設(shè)備的電磁兼容問題，更要讓航天器避免太陽活動以及一些射電暴等的干擾，任何疏漏都可能導(dǎo)致航天任務(wù)功虧一簣。

同時，電磁也給我們帶來了很多對于世界的認知，比如說探索太空，無論是到月背著陸，還是去火星著陸等等，都需要電磁。沒有電磁，我們就不會知道浩瀚的星空是什么樣子，也不會精確地讓玉兔號車準確著陸在月球上。包括我們的FAST天眼，它也要通過電磁來捕捉射電暴，看到浩瀚宇宙的一些未知現(xiàn)象。所以國家的重大工程和重大科學(xué)探索，都離不開電磁。

（作者系中國工程院院士、北京航空航天大學(xué)教授）

激發(fā)好奇心：走出地球搖籃

文／吳 季

人類進入太空，就是為了使我們的格局更大。到目前為止，地球上只有600多個宇航員進入過太空，只有27個美國宇航員去過月球，這其中只有12個人落過月球。未來如果有更多的人能夠到太空去，人類的觀念一定會發(fā)生更深刻的變化。這就是為什么我們要進入太空，要到太空去活動。

那么，如果進入太空，我們要到哪里去呢？首先地球的臨近空間是可以去的。2021年，兩家美國公司已經(jīng)把普通人送到100公里高的臨近空間。

再遠一點，我們進入到近地軌道也有可能。近地軌道運行著國際空間站和中國的空間站。中國的空間站將在2022年全部建成，一直運行到2033年。建成之后，中國空間站上面就會一直有人駐守。預(yù)計神舟十四號和神舟十五號乘組就不會在地面上交換了，他們一定是在空間站交換。

這些空間站主要還是做科研，但是美國政府在2020年已經(jīng)開放了近地軌道太空旅游。因此，預(yù)計在未來三至五年，就會有近地軌道的商業(yè)太空旅館出現(xiàn)。

此外，人類還會向月球發(fā)展，對月球的研究積累了一定經(jīng)驗以后，接下來就是月球旅游。國內(nèi)外對月球旅游都做了很多想象，月球應(yīng)該說是最適合人類旅游的目的地，兩三天飛過去，然后在那兒過兩三天，然后再兩三天回來。正好是一個小長假。

那么如果要再往遠走的話，就會到火星?；鹦堑目茖W(xué)未知還有很多，人類對火星的探測還是以無人探測為主，真正的有人探測還沒有開始。

但是馬斯克已經(jīng)在設(shè)想要建造火星城，要做火星移民?；鹦请x我們非常遠，火星一去一回大概要300天的時間，這顯然不適合旅游。馬斯克說是做移民，但是移民也不是很容易，火星圍著太陽轉(zhuǎn)一圈是地球年的1.88倍。換句話說，如果有人在火星上出生，他50歲的時候就相當于一個地球人94歲了?；鹦亲赞D(zhuǎn)一圈也比較慢，比24小時多一點，那么經(jīng)過30多天，就比在地球上要慢一天。

如果具備很快的行星際飛行能力，我們還能去哪兒？我們還可以去金星。在金星上空50-60千米高度的大氣層里有室溫層，那里的溫度20多度，非常舒適。在這個高度如果放一個飛艇，很容易使人類生存。

再往遠，我們還可以去木星。木星有一個衛(wèi)星叫木衛(wèi)-2，它上面全部都是冰凍的海洋，海洋的冰層大概有幾公里厚。但是在這個幾公里厚的冰層下面有液態(tài)水存在，水里面也許可以發(fā)現(xiàn)生命。

太空旅游還可以走得更遠，還可以到土衛(wèi)-6，它上面有液體的海洋，但這海洋不是水的海洋，而是甲烷的海洋，甲烷的溫度是負180多度。如果我們能夠在土衛(wèi)-6的海洋上泛舟，看到帶著光環(huán)的巨大土星從海面升起，也是一個非常美妙的景色。

（中國空間科學(xué)學(xué)會理事長、中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心研究員、國際宇航科學(xué)院院士）

元宇宙：推開“虛實融生”那扇門

文／沈 陽

2021年3月，美國一家公司上市的招股書明確提到了元宇宙的一些概念。到了2021年的下半年，F(xiàn)acebook把公司更名成Meta，元宇宙開始廣泛地進入到大眾的視野中來。這個概念迅速地“出圈”了。

那元宇宙到底是什么呢？1992年，科幻小說《雪崩》提出了元宇宙概念。元宇宙是虛實相融的，它有多種形態(tài)：有虛擬現(xiàn)實的元宇宙，有增強現(xiàn)實的元宇宙，有腦機接口的元宇宙，乃至未來科幻世界所描繪的數(shù)字永生的元宇宙。

元宇宙涉及三個最核心的技術(shù)。第一個是XR技術(shù)，比如VR的頭盔、AR的眼鏡，還有MR的眼鏡等。這些技術(shù)我們把它統(tǒng)稱為XR技術(shù)。

XR技術(shù)主要解決什么問題呢？假設(shè)你的好朋友正在玉龍雪山旅游，然后你跟他視頻通信，如果是元宇宙通信，他會立即把他在玉龍雪山山頂?shù)那闆r分享給你。更高級一點的元宇宙，甚至他在玉龍雪山上面感受到的溫度，你也可以感受到。也就是你本人不需要到現(xiàn)場，你就能感受到對方整個空間中的方方面面的情況。

元宇宙的第二個關(guān)鍵技術(shù)是數(shù)字孿生和游戲引擎。數(shù)字孿生主要解決的問題是把我們的現(xiàn)實世界，比較完整地呈現(xiàn)到虛擬空間去。游戲引擎要解決的問題是要構(gòu)建一個比較虛擬化的場景，把我們的房子、人物等呈現(xiàn)到虛實相融的空間當中去。

第三個關(guān)鍵技術(shù)要解決的是經(jīng)濟性問題，我們在元宇宙里面怎樣去進行經(jīng)濟活動，這是元宇宙的三個最核心的屬性。

元宇宙概念的提出，對人類意味著三個拓展。第一個拓展就是對我們生存空間的拓展，比如你家里的臥室可能只有10平米，但是當你戴上VR的頭盔之后，你關(guān)注到的場景可能是1000平米、甚至10000平米，然后你還可以躺在沙灘上曬曬太陽，無形中就拓展了生存空間。

第二個拓展是對感官維度的拓展。以使用手機為例，我們主要以視覺、聽覺為主。未來，假如我們在元宇宙里面進行交流，我們還可以戴有觸感的手套，當你在元宇宙里面跟人握手的時候，你同樣可以感覺到他握手時的力量。這同樣也是元宇宙的一個比較深入的應(yīng)用。

第三個拓展就是對我們思想上的拓展。原先我們認為探索宇宙是人類最重要的一個目標，現(xiàn)在有了元宇宙的概念之后，我們發(fā)現(xiàn)創(chuàng)建一個宇宙跟探索一個宇宙同等重要。

元宇宙在今天，我們可以看到有很多種不同類型的版本。

如果是VR、AR、MR的元宇宙是一個低配版的元宇宙，加入了觸感、溫度感，甚至未來加入更難的味覺（人類所有的這些感官里面味覺是很難電子模擬的），我們可以把它叫高配版的元宇宙。

如果是腦機接口的元宇宙，我們認為它是高級先進版元宇宙。再往后面，到數(shù)字永生的元宇宙，那可能是一個終極的形態(tài)。

一個標準的元宇宙是什么樣子的？

以清華大學(xué)舉例，一個標準的元宇宙或許是這樣的：首先，把整個清華大學(xué)和清華大學(xué)的老師、學(xué)生全部收入到一個虛擬世界里面去，這是第一步，叫數(shù)字孿生。

第二步，就是你自己的虛擬人進到清華大學(xué)的虛擬圖書館里去。在圖書館看書的時候，你發(fā)現(xiàn)你左邊坐著20歲的林徽因，右邊坐著著名的科學(xué)家錢學(xué)森。當然在這個虛擬世界里面，錢學(xué)森也不是老年的狀態(tài)，他是20歲的狀態(tài)。這個時候你跟他暢所欲言，并且合了影。這一步叫虛實原生。

你跟他在虛擬世界里面合影之后，你回到真實的世界，這個時候你可以用3D打印，把你跟他的合影打印出來，這一步叫虛實相融。

而過了兩天你又想，我在元宇宙里面碰到過錢老，那我能不能在真實的清華大學(xué)圖書館里碰到錢老呢？然后你就到清華大學(xué)的真實的圖書館去看，結(jié)果發(fā)現(xiàn)20歲的“錢學(xué)森”也在圖書館里面看書。這是他的一個高仿機器人，長得跟錢老一模一樣。

這意味著什么呢？就是在元宇宙里面的虛擬這一部分（虛擬人），以及真實的這一部分（機器人），背后是一套統(tǒng)一的驅(qū)動引擎。他記得在虛擬的和真實的世界里面跟他交往的過程，這是一個標準版的元宇宙的場景，10年之后或許我們就能夠看到。

（作者系清華大學(xué)新聞與傳播學(xué)院教授）

科技冬奧：自由視角技術(shù)讓觀賽身臨其境

文／陳寶權(quán)

在今年北京冬奧會上，“看什么”可以交給觀眾自己決定，這套技術(shù)的名字叫做“自由視角觀賽”。

2021年4月份，在國家體育館冰球比賽的測試賽中，我們做了自由視點的測試。以這樣一種技術(shù)向全球觀眾轉(zhuǎn)播這個賽事的時候，觀眾可以自由地改變他的視點。他只要拿一個手機，用手指在屏幕上輕輕地滑動，就可以改變他觀看的視角。

他可以隨意地在這個場地“飛躍”，他可以拉近了看，可以換一個不同的角度看，也可以把時間凝固，在某一個瞬間的時候從不同的視角去觀看。這樣就能夠給觀眾帶來一個完全身臨其境的觀看體驗。

由于全球疫情影響，2022年的北京冬奧會不面向境外觀眾售票，所以我們作為東道主不僅有責(zé)任讓全世界觀眾“看得清”，更要“看得真”。

那世界各地的觀眾是如何坐在家、拿著手機就能沉浸在賽場中進行無死角觀賽的呢？首先，我們要把精彩的比賽拍攝下來，而拍攝賽事的方法與科幻電影中子彈時間的拍攝方法類似。

比如這個場景：通過一個360度的慢鏡頭全方位展示側(cè)身躲過子彈，這樣的瞬間可以給觀眾帶來非常震撼的體驗。它拍攝的方式就是從多個角度同步來拍攝這樣的一個畫面，然后在后期制作的時候來切換鏡頭。

這種電影制作技術(shù)，實際上是需要后期大量的計算制作的。不僅是計算的成本非常高，同時制作的時間也相當長。一個10秒、20秒的畫面，可能需要一個月甚至一年的時間來進行計算。

那么如何讓這樣的一個技術(shù)，從一個科幻電影的拍攝，也就是一個離線的長時間制作，來進入到我們一個需要實時計算、實時傳輸?shù)捏w育賽事轉(zhuǎn)播？這里面是有很多挑戰(zhàn)。

首先是需要大量的相機來拍攝。舉個例子，在一個舞臺上，如果只有左邊、右邊兩路信號來拍攝我，那這兩個視頻信號之間的轉(zhuǎn)換是非常跳躍的，根本無法形成畫面變換之間絲般順滑的觀看體驗。

實現(xiàn)一個360度特別平滑的視覺效果，那幾十臺攝像機是不夠的，這可能得上千臺、甚至2000臺攝像機來拍攝。怎么才能控制現(xiàn)場攝像機的數(shù)量呢？我們通過計算出1000多臺攝像機拍攝的效果，發(fā)現(xiàn)2個機位之間插入30臺攝像機機位視點即可，這些視點我們管它叫做虛擬攝像機，最后傳到用戶的畫面，實際上是由實際的攝像機和虛擬的攝像機的畫面整合得到的。

但同時又帶來一個問題，如此巨大的視頻陣列，如此多路的傳輸量，可能要調(diào)用大概1000臺應(yīng)急通訊車，才能把視頻信號轉(zhuǎn)播出去。

那怎么辦？我們把視頻的信號經(jīng)過壓縮，保留它最有價值的信息，再發(fā)送出去。另外，自由視點的信號最終要傳送到我們的個人手機上，這需要擁有非常強的傳輸能力。恰好5G就提供了這樣的能力。目前北京、延慶賽區(qū)的17處冬奧場館及京張高鐵、京禮高速沿線建成了上百個5G基站，這樣覆蓋度高、便捷性強的5G信號網(wǎng)，將有力保障賽事自由視角直播畫面的傳輸速度和效率。

（作者系北京大學(xué)教授、前沿計算研究中心執(zhí)行主任）