点燃火焰！

比尔·格罗斯建造他的第一个太阳能碟时只有15岁，那是一个直径四英尺的抛物面镜。“我用它烧水。我用它烤热狗。我不知道当时我在想什么。”现在他44岁，是加利福尼亚州帕萨迪纳市Idealab公司的总裁，他清楚地知道自己在想什么：太阳能碟可能是地球上生产能源的最佳方式。格罗斯说，太阳能之所以未能兑现其承诺，是因为工程师们一直过于专注于从太阳光（光伏电池）中发电。他认为真正的答案不是从太阳光中发电，而是从其反射的热量中发电。因此，在这个阳光明媚的日子里，在Idealab公司，工程师德内斯·佐尔奈和工业设计师格雷格·卢科尼正在户外摆弄一个六英尺的太阳能碟。他们戴着焊工面罩保护眼睛，将一束阳光聚焦在一个黑色不锈钢杯（称为热杯）上。他们看着数字温度计测量杯中的空气温度。温度开始飙升，在几秒钟内超过锡的熔点（450华氏度），然后是铅（621华氏度），再是铝（1220华氏度）。为了强调这一点，卢科尼拿起一块废木料，一块两乘四的木板，将一端戳向杯子。瞬间，木板燃起火焰。这不仅仅是一个重新配置的学生把戏。这两个人和他们的镜子是Idealab公司一个小型团队的一部分，他们正在建造一种设备，利用太阳的集中热量可靠且廉价地产生太阳能电力。格罗斯说：“我们想做一些颠覆性的事情，一些能立即负担得起的事情。”他们并非孤军奋战。自1998年以来，桑迪亚国家实验室一直在试验巨大的28英尺太阳能碟系统来产生热量，其中三个在其新墨西哥州总部，另一个在亚利桑那州的陆军基地。每个碟连接到斯特林热机，后者驱动发电机，可以输出10千瓦的电力。缺点是制造一个“碟式发动机”系统的成本约为5万美元。格罗斯说：“他们谈论的是巨大的东西，大到必须用混凝土固定。我想制作一个足够小，可以装箱运输，承包商可以在几个小时内安装到屋顶上。非常便宜的东西。”六个月前，格罗斯推出了一个原型，名为Sunflower（向日葵）。它有12个小抛物面镜阵列，像菊花瓣一样围绕着中心核心排列。它结构紧凑，轻巧的镀铝塑料镜片可以通过廉价但耐用的步进电机移动，这种电机在磁盘驱动器和喷墨打印机中很常见。现成的热传感器引导着转动镜片的电机。镜面阵列跟随太阳，无论它在天空中有多高或多低，然后将热量泵入一个小型斯特林发动机，后者带动发电机。

在加利福尼亚州帕萨迪纳的Idealab公司，一个镜面阵列将分散的阳光聚焦到一点，产生足够的热量，瞬间点燃一块木头。这种革命性的新型太阳能装置利用热量驱动斯特林发动机和发电机。发明家比尔·格罗斯戴着焊接护目镜保护眼睛，他说：“我们的目标是建立一个几年内完全收回成本的系统。之后你就能获得免费电力。”

“向日葵”运作良好，但格罗斯并不满意。它的镜面面积不够大，因此产生的热量和电力与其成本相比不足。格罗斯和他的团队重新回到了设计阶段。他说，再过几个月，他的团队将推出一个重新配置的系统，拥有更多的镜面，可以实现他所说的“圣杯”——每瓦特仅需一美元的电力。格罗斯估计，他可以批量生产这种能够产生250峰值瓦特功率的装置，以每台250美元的价格出售。以每峰值瓦特一美元的价格，太阳能发电机产生的电力可以与国家电网的电力竞争。40台这样的设备将产生与桑迪亚实验室一个碟形天线相同的电量，但成本仅为五分之一。桑迪亚太阳能团队负责人里奇·戴弗表示他印象深刻：“原则上，这是可行的。他们谈论的是使用普通材料，而不是像光伏电池那样需要纯硅和大量导体。在看到他们的数据之前，我会保持怀疑，但如果他们成功了，那将是巨大的。它可能会改变世界。”

太阳能碟的演变 比尔·格罗斯和他在Idealab的同事们着手创建一种基于简单原理的太阳能装置，任何人都可以用放大镜或镜子证明这个原理：聚焦太阳光线会产生灼热。最终设计受到许多工程和成本挑战的影响。

A：工业设计师内森·艾伦（背对镜头）正在设置一个六英尺的抛物面参考镜，它将分散的阳光聚焦成一道光束，射向斯特林发动机，后者又驱动发电机。碟子左侧的推车装有测试工程师马修·施耐德用于测量发动机运行特性的设备，包括其运行速度、内部压力、电输出和热杯的温度。

B：该团队的主要目标是创造一个紧凑的太阳能集热器，能够追踪太阳在天空中的路径。“向日葵”原型具有12个花瓣状镜子，展开成一个六英尺宽的阵列。该阵列平坦得足以整齐地放置在一个透明塑料穹顶下，旨在保护其免受风和恶劣天气的影响。连接到阵列中心热杯上传感器的二十几个小型步进电机，使该设备能够从日出到日落追踪太阳。施耐德在这里测量热杯上的热电偶温度读数。最终，团队对花瓣反射的阳光量与原始抛物面碟相比不满意。他们考虑扩大单个花瓣或增加第二排，但由于笨重而排除了这两种选择。

C：格罗斯正在检查最终设计的镜面阵列，团队称之为定日镜。定日镜将三个这样的阵列组合成一个6x9英尺、10英寸高的面板，其中包含96个部分抛物面镜。这些镜子并排排列成列和行，都将热量聚焦到一个焦点。六个由计算机控制的步进电机，连接到光敏光电管和热敏热电偶，随着太阳在天空中的移动调整镜子的方向。

D：来自镜子的热射线精确汇聚到斯特林发动机底部的热杯上，该热杯悬挂在镜阵上方两到四英尺处。随着温度升高，斯特林发动机内的一团热空气膨胀，推动活塞。汽缸内壁的薄薄的不锈钢鳍片暂时吸收热量，随着活塞的移动冷却气囊中的空气。当活塞到达发动机顶部时，第二个机械连接到第一个活塞的活塞将冷却的空气推回热杯。这个循环重复进行。同时，第一个活塞转动一个传统的发电机，产生250瓦的电力。

格罗斯自称是连环创业者。他从小就开始创业，批发糖果并以加价卖给其他孩子。到1976年高中毕业时，他已经赚够了钱支付在加州理工学院的第一年学费。他通过在《大众科学》杂志背面的分类广告中刊登广告，提供一本帮助业余爱好者制作太阳能镜子的书和三角函数图表来做到这一点。在他二年级的时候，他发明并获得了一项新型立体声扬声器的专利，这帮助他支付了剩余的大学费用。他创立的扬声器公司最终转向开发软件，例如传奇的人工智能程序Hal，并于1986年被Lotus收购。1991年，格罗斯对提供给幼儿园儿子的教育软件不满意，于是创办了Knowledge Adventure。五年后，当他以1亿美元的价格出售Knowledge Adventure时，它已成为世界第三大教育软件公司。1996年，格罗斯创立了Idealab，并着手征服万维网。该公司总部设在帕萨迪纳时尚老城区的一栋低矮的白砖建筑中。里面，小型轮式机器人四处游荡，交通标志宣称“机器人穿越”。Idealab里没有人有真正的办公桌。从最低级的技术人员到总裁，每个人都从家得宝（Home Depot）买一块普通的门板，平放在两个文件柜上。天花板开放到椽子，员工在办公隔间组成的小组中工作，每个小组都是一家正在诞生的公司。这些小组共同排列成一个太阳系，格罗斯是太阳。Idealab一路乘着互联网泡沫。当泡沫破裂时，许多Idealab投资的企业——最著名的是一度风光的eToys.com——破产，公司将员工人数裁掉了一半。它孵化的一些公司至今仍在蓬勃发展，包括在网上购车的CarsDirect和搜索服务Overture。灵感仍在涌现，但重点已从软件转向硬件。格罗斯在2001年乘坐商业喷气式飞机时，在一次狂热的电话中向总部宣布：“机器人，我们必须制造机器人。”因此，现在，一个Idealab小组正在建造Evolution Robotics。另一个小组正在开发超高速、亚红外光学网络系统；还有一个小组正在重新发明检查微芯片的机器。格罗斯办公室旁边的小组是能源创新（Energy Innovations）的所在地，该团队负责开发和营销新型太阳能碟。

在Idealab的小型制造车间里，格罗斯抚摸着一个大小如大保温瓶的闪亮钢筒，解释为什么它所来自的斯特林发动机是太阳能碟项目的关键。苏格兰牧师罗伯特·斯特林在1816年设计了最初的发动机，作为蒸汽机的替代品。近两个世纪以来，斯特林发动机一直是业余爱好者无尽着迷的源泉，但很少有实际用途。格罗斯在高中时参加了金属车间，只是为了学习如何建造一个。该发动机既简单又巧妙。热量施加到发动机一侧的密封腔室，导致空气膨胀并推动活塞。随着活塞移动，空气流向发动机的冷侧并冷却。第二个活塞将冷却的空气推回热侧以重新启动循环。发动机高效率的一部分在于一个称为蓄热器的装置如何存储和回收在空气冷却时通常会损失的部分热能。格罗斯认为，斯特林发动机设计的基准是在二战后由荷兰制造企业飞利浦公司确立的。通用汽车公司后来改进了设计，但两家公司都没有生产出可销售的发动机。格罗斯说：“飞利浦发动机是一个美丽、美丽的工程作品，真正的艺术品。但我们要建造它需要5万美元。我想找到一种方法，以100美元的价格制造它。”格罗斯说，因为太阳的能量是免费的，“我们不需要建造有史以来最高效的斯特林发动机。我们只需要以最低成本获得最佳性能。”格罗斯很快意识到，要实现这个目标，“我们需要考虑大约一万亿种变体。那将花费我们几十年。”解决方案是通过查尔斯·达尔文的方式出现的。30多年前，密歇根大学的约翰·霍兰德表明，计算机可以使用他所谓的遗传算法来解决复杂问题。计算机模型通过达尔文所说的自然工作方式——选择确保生存的特性——可以使用算法测试任何设计的数千种排列。因此，Idealab团队开发了一种斯特林发动机算法，它选择了一个简单的想法：每投入一美元产生最多的瓦特。第一次计算机运行始于100种斯特林发动机设计。发动机的设计元素是完全随机选择的。然后程序选择了具有最佳成本效益比的两种设计。格罗斯愉快地说：“然后，我们让前两种设计‘交配’。”接下来的100种设计包括前两种“亲本”，第三种设计包括来自两个亲本的50-50特征混合，以及93种基因突变——具有亲本特征和新特征混合的新设计。一台标准的台式计算机，使用Idealab的软件在一夜之间筛选出10万种组合，可以在几个小时内得出结论。去年，该团队确定了一个设计，其效率是飞利浦斯特林发动机的一半，但可以以大约100美元的价格制造。

在一个工作日的半途中，格罗斯和太阳能团队的主要成员聚集在附近的一家意大利小餐馆。这是一套他们已经熟练掌握的套路。团队成员带着笔记本、计算器和速写本，格罗斯负责买单。餐桌旁有首席设计师格雷格·卢科尼、工程总监德内斯·佐尔奈、顾问库尔特·耶切尔、工业设计师内森·艾伦和营销奇才史蒂夫·查迪马。在会议期间，格罗斯几乎没吃什么东西，因为他像拍卖师一样不停地说。他用手在空中匆匆画出图表，然后把其中一些画到他的平板电脑上。他像一个即时可查阅的目录，掌握着每一个细节，从垫圈不粘涂层的物理极限到螺丝的批量成本。碟子中镜子的排列很快成为主要话题。创建小型镜子阵列的决定解决了一个主要设计问题。这意味着太阳能碟可以紧凑，确保它不会从屋顶高出几英寸，并且可以在玻璃或塑料下免受风吹雨打。但是现在，距离推出最终设计的截止日期只剩五周了，格罗斯仍然不确定雏菊瓣状的镜子排列是否能产生最佳的热量。此外，他对成本非常痴迷——每一美元都很重要。根据设计，“向日葵”需要两个步进电机来定位每个花瓣：12个花瓣需要24个电机，批量购买成本为24美元。格罗斯沉思着，假设我们重新配置阵列，我们能找到一种机械连接几个镜子并使用更少电机的方法吗？这引发了关于替代设计的讨论。也许它不应该看起来像一朵花。也许它应该看起来像一个蛋格。一种将镜子紧密排列成行和列的排列方式可能会提高反射热量，并且可能需要更少的电机。隔着长桌，卢科尼在他的画板上快速勾勒出它可能的样子。那天晚上晚些时候，他将通过电子邮件向格罗斯发送一份全彩3D渲染图。但是，完全放弃多个小镜子呢？格罗斯大声思考着是否要回到卢科尼和佐尔奈之前一直在试验的简单圆形碟子。尽管单个大碟子将是最热效率的设计，但其正常的直立姿态会使其容易受到风和天气的影响。如果团队将其大致放平并安装滚轮呢？他将面包倒在桌上，这样他就可以用盘子来演示它可能如何工作。而且，哦——干脆也放弃热量想法呢？一些尖端的太阳能光伏材料，过去主要用于卫星，通过产生更多的电来响应增强的光照。尽管这些材料很昂贵，但格罗斯现在想知道，如果他的团队使用太阳能放大镜来用，比如说，400个太阳的光照来轰击它们会发生什么。光伏电池可能在伴随光照而来的强烈热量中开始失效。但是，将这些芯片切割得足够小，以便每个芯片都配备一个现成的微处理器散热器呢？在团队镜子聚焦的400个太阳光照下，也许这些芯片可以以每瓦一美元的价格喷发出电能。圣杯！我们可以测试一下，格罗斯说。我们也可以继续研究蛋格。然后他出门了，去参加和机器人专家的会议。他遗弃的盘子里还剩大半只鸡。

定日镜（一种原型太阳能集热器）中每个八英寸宽镜子的安装架都配有一对螺杆传动齿轮。在运行中的定日镜中，成对的电机将在镜子阵列下方移动，每分钟轻推每个螺杆齿轮一次，以使每个镜子精确地对准太阳。

一个月后，按照计划，太阳能团队敲定了设计。他们坚持热量理念和“蛋格”设计。它将采用96个8英寸小镜子，排列在一个10英寸高的矩形盒子中，由一个扁平的透明塑料穹顶保护，就像惠特曼精选巧克力盒一样。96个镜子将由六个步进电机通过复杂的螺杆传动齿轮系统移动。光传感器将跟踪太阳，斯特林发动机热杯上的温度感应热电偶将微调镜子的指向方向。团队认为“蛋格”这样的词听起来不够庄重，所以他们称之为“定日镜”。每个定日镜尺寸为6x9英尺，可产生250峰值瓦特的电力。最初，Idealab将把该设备推向商业建筑市场，在那里，成群的定日镜可以连接在一起安装在平屋顶上。一个典型的耗能的美国住宅将需要四到八个单元。在两到三年内，随着生产10万台定日镜，消费者成本应降至每瓦一美元。格罗斯说：“石油和其他化石燃料行业效率如此之高，以至于太阳能一直很难竞争。但我们即将实现这一目标，仅仅通过重新排列一些基本材料，如镜子和不锈钢。”