2001年高技术发展综述
柯民
（中国科学院科技政策与管理科学研究所）
2001年是新世纪、新千年的开端，虽然全球经济增长缓慢，但代表世界末来与希望的高技术继续保持强劲的发展势头，风景独好，气象万千。信息通信、生物技术、材料技术、能源技术、空间技术是5个重要的高技术领域。本文对它们在2001年的新进展和前景进行简要的评述。
－、信息通信技术辉煌依旧
2001年是无线通信技术诞生100周年。1901年12月12日意大利工程师马可尼首次实现人类跨越大西洋的无线电通信，当时每秒的传输容量仅为几个比特。100年后的今天，无线电通信的效率已经提高100亿倍以上。信息通信技术一如继往的迅猛发展将继续深刻地影响世界的各个角落。
1.网络与光纤通信技术
随着"无时无刻不联网"时代的到来，因特网用户继续快速增长，电子政务、网上医疗等网络应用项目开始风靡全球。美国《电脑工业年鉴》2001年初公布的数据表明，按照每周都使用因特网的人数计算，全球因特网用户已从1998年末的2亿多人增加到2000年底的4.14亿人，其中美国用户人数最多达1.14亿。如果算上不经常上网的人数，则中国以2250万人排名世界第三。因特网已经成为社会基础设施中不可缺少的组成部分。从技术上说，因特网的发展呈现出从窄带到宽带、从有线到无线、从固定到移动等特点。
近年来网络信息通量的复合年增长率已超过100％。增加光纤系统的容量并保证用户高速连接到因特网己成为迫切的需求，即出现了所谓"最后一公里"（指服务提供者与终端用户之间的连接）问题。发展光纤接人是解决接人网宽带化的根本办法。在增加光纤容量方面，密集波分复用传输系统（DWDM）使问题得到了较好解决。最早的波分复用传输（WDM）系统只能多路传输2个波长，现在已能传送160个波长。较高级网络的单信道光纤传输速率已达到10Gb/ｓ，以这一传输速率和容量可以在几秒钟内把美国国会图书馆里的藏书内容全部传输出去，而下一代设备的运行速度将是40Gb/s。 通信网络主要由传输和交换两大技术构成，大容量的传输必须配以相称的高速交换系统，但目前光电交换处理系统的速度已成为制约光纤通信速度增长的瓶颈。电子信息处理必须先将每路波长上的高速数据流（10Gb/s）拆分成低速数据流，经电子处理后再综合成高速数据流。这种从光到电再从电到光的交换过程不但大大降低了在光纤这个"超级高速公路"上传输数据的速率，而且增加了网络的成本。因此，使用光子信息处理技术代替电子信息处理的新型光子交换技术将是今后的发展方向。
此外，为解决"最后一公里"的问题，无纤光学网络也是一个选择方案，用户只须对准服务中心的一个窗口的光学终端就能连接因特网。另一方面，固定无线通信线路也正受到越来越多的关注，也可能代表着正确的发展方向。有关专家预计，到2005年大多数人将用无线电话进行因特网连接。
网络安全继续成为政府和企业关注的焦点。据美国著名的会计事务所普华公司凋查结果，2000年美国业界为对付黑客和计算机病毒共花费了3000亿美元。在遭遇电子"珍珠港事件"的偷袭一冷不防的、全面出动的网络突然袭击时，往往会导致通信、金融、运输、动力、军事等重要基础设施失效而产生严重后果。因此为保护网络安全的加密和防攻击技术正成为科研的重点，其中量子密码技术由于特别适合于光通信环境，己越来越受到关注。2.计算机技术
2001年科学家们开发出了分子电路，这一成果荣登美国《科学》杂志2001年度十大科技成就榜首，颇为引人注目。科研人员将极小的晶体管、导线和开关连在一起，形戚可完成基本运算的分子电路，这种分子水乎电路的出现将为运算速度极快、"能引发末来几十年中科学突破"的微型计算机铺平道路，后者可用于解决即时翻译问题、破解气候变化谜团等。
目前，世界上最强大的超级计算机的运算速度已突破每秒12万亿次。2001年6月，美国IBM公司宣布研制出世界上功能第二强大的超级计算机，理论运算速度每秒达3.8万亿次，将用于全球气候模型、蛋白质、环境等方面的研究。8月，俄罗斯科学院也研制成功一台运算逮度每秒为1万亿次的超级计算机，其运算系统内装有768个"Alpha-264"型处理器，存储能力达7680亿字节，综合性能跻身于全球超级计算机的前30位。我国科研人员研制的曙光3000超级服务器浮点运算逮度已突破每秒4000亿次。在量子计算机领域，中国科技大学具有独创性的"量子避销码"和"量子概率克隆机"研究获重大突破，被国际同行称作该领域"最激动人心的成果"。
2001年11月，以色列科学家宣布研制出一种由DNA分子和酶分子构成的微型"生物计算机"，1万亿个这佯的计算机仅一滴水那样大。他们使用两种酶为计算机的硬件，DNA为软件，输人和输出的"数据"都是DNA链。作为原始数据的DNA链相当于早期电子计算机使用的数据纸带，上面的碱基对相当于纸带上的孔，代表着0和1形式的二进位制数据。作为硬件的酶和作为软件的DNA与输人的数掘DNA在试管中发生反应，进行"运算"，最终生成新的DNA "输出数据"。通过设计不同的DNA软件分子，就能够对这种计算机进行编程，用以解决不同的问题，如基因测序、合成药物等。由于参与反应的分子很多，相当于大批的计算机同时工作，因此运算能力惊人。
3.集成电路
自美国1958年做出第一块集成电路以来，集成电路（IC）相继经历了小规模集成、中规模集成、大规模集成、超大规模集成，以及现在的特大规模集成（每块芯片上刻制了1亿个以上的逻辑单元）的发展阶段。集成电路是整个信息产业的基础，集成电路技术在不同年代的水平决定了信息技术的不同发展阶段。在中、小规模IC的阶段，相对应的是大型计算机时代；20世纪70年代大规模集成电路出现后，人类得以迈人PC机时代；今天IC发展到超大规模、特大规模系统集成的水乎，相应地我们就进人超级计算机时代了网络化时代。
现在的集成电路已能够把整套大百科全书的内容存放到一块芯片上。要做出集戚度更高的IC，就必须解决超微细图形的曝光技术。当前引人瞩目、并正积极研究试用的是Ｘ射线曝光和电子束曝光技术。在Ｘ射线曝光技术中，所采用的Ｘ射线是用小型同步加速器来产生的。由于电子束容易控制，通过电子束曝光技术可以获得较高的曝光分辨率和套刻精度。
随着晶体管的尺寸越来越小，IC的集成度越来越高，每个芯片上的金属连线一布线越来越密集，仅在芯片表面布线已无法满足集成电路高速处理信息的耍求，因而出现了多层布线技术。目前在芯片上实现的多层布线已达到４至5层，总长度有数百米。颈计随着集成电路的发展，10年后将会达到8层布线，总长度有数干米。
由于集成电路工艺技术的飞速发展，芯片的集成度不断提高，每个器件的尺寸会越来越小，进而将进人到纳米（0.1～100nm）领域。现在用纳米级的微细加工技术，已能够制作出利用单个电子的隧穿效应来工作的单电子晶体管，同时也可以制作出极其精巧的微型电子机械系统和微光机电系统，如纳米马达、米粒汽车，以及纳米机器人，这种机器人可以注人到人体的血管中进行检查和治疗，从而给人类健康带来英大的福音。
４.高智能机器人
2001年8月，"罗博"机器人世界杯足球赛在美国西雅图举行。机器人足球赛实际上是一场以足球为载体的前沿高科技研究和对抗的比赛，它广泛涉及人工智能、自动控制、通信、传感、精密仪器、仿生材料等领域的前沿研究和技术集成，集中反映了一个国家在信息和自动化方面的实力和水平。我国清华大学代表队在此次比赛中获得了仿真组第一名。高智能机器人能用红外线传感器看，用立体声接收机听，可以感知周围环境中的事物，进行复杂的思维和推理活动，会模拟人的情绪反应，并能够改进自己的行为、学习技能等。
高智能机器人不仅能完成工厂里的一些复杂工作，还能在医疗护理、休闲娱乐、教育、家务等领域广泛应用。日本经济新闻社在2001年12月进行的一项调查显示，在2010年以后，非制造领域使用的机器人的上市数量将会超过工业机器人，届时其家庭普及率将超过10％，人们在市场上就能订做和购买机器人。当前机器人技术的发展重点有：低成本技术、高速化技术、小型和轻量化技术、高精度化技术、可靠性技术、汁算机控制技术、网络化技术、视觉和触觉传感器技术等等。
美国加利福尼亚伯克利大学正在开发一种机器苍蝇，其大小与果蝇相仿，翅膀每秒扇动100次并能够旋转。该机器苍蝇仅重300mg，翅膀只有几毫米宽，这么小的飞行机械可称得上是工程上的一大创举。这种机器苍蝇可用于战场侦察，或用作空气传感器和通气管道的"检查员"。目前最大的技术障碍是电力供给问题，研究人员认为在200４年能达到使用要求。
2001年11月，中国科研人员研制出蛇形机器人，标志着我国机器人技术的新突破。该机器蛇长1.2ｍ，直径0.06ｍ，重1.8kg，可以像蛇一样在地上或革丛中自主地豌蜒运动，最大速度达每分钟20ｍ。机器蛇的头部是控制中心，安装有视频监视器，在其运动过程中能将前方景象实时传输到后方电脑中，科研人员则根据其传输的图像进行观察并发出各种遥控指令。这种机器蛇可以广泛地用于危险作业、抢险救灾、军事探测等领域。机器蛇是一种新型的仿生机器人，与传统的轮式或两足步行式机器人不同，它实现了像蛇一样的"无肢运动"，是机器人运动方式的一个突破，被国际机器人业界称为"最富于现实感的机器人"。
二、现代生物技术风光无限
现代生物技术以现代生物学为基础，由多学科理论、技术和工程原理相互交叉融合而成，其发展有赖于材料、信息、微机电系统、传感器、图像处理等多种技术的发展。近20年来，现代生物技术的发展越来越引人注目，并日益呈现出两个显著的特点，其一，现代生物技术可以突破物种界限，有效地改造生物有机体的遗传本质，其二，现代生物技术带来的经济效益和社会效益日益显著。因而，许多专家认为，现代生物技术产业将会成为21世纪的朝阳产业。
1.基因工程
基因工程技术是现代生物技术的核心，它是指在基因水乎上采用与工程设计相类似的方法，按照人类的需要进行设计和创建具有新的性状的生物新品系，并能使之稳定地遗传给后代。由于基因工程是在分子水乎上进行操作，因而它可以突破物种间的遗传障碍，大跨度地超越物种间的不亲和性。
据不完全统计，转基因研究至今已在35科120种植物中获得了成功。所涉及到的性状包括抗虫、抗细茵、抗真茵、抗除草剂、品质改良、提高产量潜力等。今后转基因动、植物将更多地从提高产量转向提升产品的质量，赋予其新的性状和功能，如含母乳蛋白的农畜产品，能降低胆固醇的食品等。应用转基因技术培育的耐储藏、保鲜番茄已在多个国家获准进行商品化生产。全球转基因作物种植面积从1996年的170万hm2增至2000年的4420万hm2，增加了25倍。种植面积在100万hm2以上的转基因作物有大豆、玉米、棉花和油莱。
我国在转基因鱼的研究和开发上处于国际领先地位，已培育出生产性能优良的转基因鱼，对生态环境无不良影响，具奋了投人商品生产的条件。2001年1月，美国俄勒冈州健康科学大学的研究人员运用基因植人技术成功培育出了最接近人类的动物-恒河猴。由于恒河猴95％的基因与人类相同，因此转基因猴的出现将有助于人们找出诸如癌症、糖尿病、帕金森病、老年痴呆症等多种疑难病症的防治方法。
凡事皆有利弊，基因技术的飞速发展，也为恐怖分子提供了强有力的技术手段。生物武器有"穷人原子弹"的称号，现在犯罪分子利用基因重组技术研制重组烈性新病毒或者毒性更强的病毒和细菌已非难事，无需国家行为，仅几个人的实验室就足以对人类社会产生灾难性的后果。这提醒人们，耍末雨绸缨，防范生物恐怖袭击于末然。
2.基因组研究
基因组研究继2000年取得重大进展以来，2001年续写辉煌。2月12日，美、日、德、中、法、英6国科学家和美国塞莱拉公司联合公布了人类基因组工作框架图的基本信息。经过初步测定和分析，科学家发现被称为万物之灵的人类只有3～４万个基因，远非以前认为的10万个，它们由32亿个碱基对组成。这使人类在探索自身奥秘过程中又向纵深迈进了一大步。到目前为止，科学家共完成绘制了3对人类染色体（即第22、21、20对染色体）的完整图谱，顶计整个人类基因组的完成图可于2003年绘就。
此外，在本年度还有60多种生物的基因组被测定。我国在2001年10月完成了水稻基因组"工作框架图"及数据库建设，标志着我国已经成为继美国之后世界上第二个具有独立完成大规模全基因组测序和组装分析能力的国家。中国科学院基因信息中心于2000年5月启动的这一以灿稻为父本的水稻基因组研究共进行了4.3亿个碱基的测序工作，其工作量比我国完成的人类基因组计划1％项目还多十几倍。
在基本破译了人类遗传密码之后，世界生命科学研究进人了后基因组时代，在这一时代蛋白质组学与蛋白质药物将成为研究重点之一。虽然人体只有3万到４万个基因，但却可能包含有几百万种蛋白质。因而了解蛋白质的相互作用和精确结构，对深人了解医学和生物学中的遗传机理是十分重耍的。目前一些生物技术公司和风险投资公司已投人上亿芙元，用于揭开蛋白质之谜。预计2002年将会看到第一个以蛋白质为基础的"药靶"。
3.生物芯片
生物芯片起始于用生物大分子制作计算机芯片，近10年来逐渐衍生出不同用途的基因芯片、蛋白质芯片、药物芯片、组织芯片和生物传感器芯片等，其中基因芯片已经上市，其开发和利用为基因识别提供了最基本的信息和依据。生物芯片可广泛用于疾病诊断、新药筛选、环境污染监测、食品卫生监督以及司法鉴定等。预计在不久的将来，生物芯片也会像微电子芯片一样进人干家万户。
目前较为前沿的是DNA芯片的开发研究，主耍朝两个方向发展.（1）制作高密度探针阵列型芯片，以适应大规模长片段DNA序列的测定。（2）制作针对已知序列的中等密度或者较低密度探针阵列型芯片，用于检测己知基因，或者用于基因诊断。目前已研制出可检测艾滋病病毒（HIV）相关基因、囊性纤维化相关基因、与乳腺癌相关的BRCA1基因等的检测型基因芯片20佘种。
2001年8月，美国北卡罗来纳州立大学研究人员设计出一种被称为蛋白质组芯片的新型生物芯片，利用它可以判断蛋白质的性质，有望大大简化鉴定蛋白质功能的工作。
４.干细胞技术与克隆技术
干细胞研究以及用干细胞技术来修复坏死组织的干细胞生物工程是最近3年才兴起的生命科技领域。干细胞技术有着巨大的医疗应用前景，许多疾病，如帕金森病、糖尿病、脊髓损伤、癌症、艾滋病等都可望惜助干细胞技术得到治疗。
干细胞是指尚末发育成熟的细胞，它具有再生为各种组织器官的潜能，被医学界称为"万用细胞"。干细胞分为胚胎干细胞和成体干细胞，前者取自胚胎或者胎儿组织，后者取自成体组织。目前人们己开始尝试用干细胞技术治疗某些疾病，如血液干细胞技术较为成熟，在骨髓移植方面已得到临床常规应用，但这仅仪是开始，离大规模应用还有很长的路要走。作为末来治疗组织坏死性疾病的重耍手段，干细胞技术还面临许多问题，如弄清胚胎干细胞发育的调控机制，建立发展分离成体干细胞的有效方法和手段，克服异体移植引起的免疫排斥，如何在体外形成具有空间结构的器宫，以及涉及到的诸多伦理法律问题等。
从克隆羊多利的问世距今只有短短的几年时间，这期间克隆牛、克隆猴、克隆鼠、克隆猪等多种克隆动物相继诞生。2001年11月25曰，美国先进细胞技术公司宣布通过克隆制造出了人类胚胎。这家公司的研究人员把人类卵细胞中的DNA取出，由此获得卵细胞空壳，将一个成人皮肤细胞中的细胞核代替上述DNA植人卵空壳内，然后诱导融合后的细胞发育。结果得到3个人类早期胚胎，其中两个发育到４细胞阶段，另一个至少发育到6细胞阶段。这表明人体单个细胞的遗传物质能被诱导发育成为幼胚胎，因而克隆人在技术上离现实可谓只差一步之遥了。不过由于以人类个体为目的的克隆研究己经超越了技术本身，跨越了人类恪守的禁区，造成对生物伦理的严重挑战，因而引起了广泛的争议。同时近来克隆羊多利患上关节炎的消息也引起世人对克隆技术安全性的关注。
科学家在以往动物身上的实验预示，上述克隆的人类胚胎干细胞将开启一个再生医学新时代。科研人员可以利用干细胞培养出用于移植或替换的组织和器官，为病人及老年人带来福音。制造用于移植的干细胞的最好办法就是从由病人自身遗传物质克隆的胚胎中获得干细胞。这种干细胞以及由它们发育成的组织的基因与病人基因一致，因此不太可能受到病人免疫系统的排斥。
5.墓因诊断和治疗
在人类遗传密码被揭示之后，人类对生命奥秘的探索已逐步从基因组测序转向对基因功能的探测，分析基因的结构与功能、研究开发新的基因疗法和药物成为各国在后基因组研究阶段的竞争焦点。
基因诊断是运用分子生物学的方法在DNA水乎或RNA水乎对某一基因进行分析，从而对特定的疾病进行诊断。基因诊断技术发展到今天已是第三代，即单核昔酸多态性标记技术（SNP）。单核昔酸多态性广泛存在于人类基因组中，占已知多态性的90％以上，是最为常见的遗传变异类型。2001年，"国际SNP作图工作组"已在人类的基因组中发现并定位了142万个SNP标记，这些SNP标记将广泛应用于疾病诊断、药物研发、物种进化和遗传研究、生物种群多样性研究，以及亲子鉴定、犯罪身份鉴别等领域。
基因治疗是通过导入基因来改变细胞的基因表达，从而治疗基因异常的疾病。一般来讲，不能直接将基因插人细胞中，常用的办法是利用病毒载体将其运送到细胞中。基因治疗的潜力很大，但仍存在许多困难和问题，如确定疾病的相关基因、基因转人和表达的有效性、靶细胞和载体的选择、基因治疗中可能产生的不良反应等等。
人类基因组织委员会在其2001年的年会上指出，虽然基因治疗法仍存在着风险，但一些试验己取得积极成果，表明基因疗法正日趋成熟，因而值得人们继续进行有关试验和研究。可以相信，在不久的将来基因治疗很可能成为医治和预防人类疾病的最有效的方法。
6.器官移植和人造器盲
预计人体器宫和组织的替换、修复、保持和增强在末来15年内，每年将会产生超过500亿美元的巨大市场。目前正在研究的组织器宫有：心瓣膜、血管、角膜、腱/韧带、骨，以及人工软骨、人工皮肤，人工肾、肝、心、胰、视网膜等。其关链技术包括：细胞技术，目标是以干细胞尤其是胚胎干细胞作为种子细胞；结构技术，主要模拟天然组织的三维结构和相应的功能；移植技术，主耍解决移植免疫和移植后组织的生长能力监测。
2001年的圣诞节，曾经参与克隆出多利羊的英国PPL医疗公司研究人员培育的5只新型转基因克隆猪诞生，成为第一批能够将器官移植给人类的动物。猪体内有一种GT基因，它使猪细胞表面产生一种糖类物质。当猪器官移植给人类时，人的免疫系统能识别这种糖并产生强烈的排异反应，这是目前猪器官不能应用于人体移植手术的主要原因。PPL医疗公司培育的这5只新型转基因克隆猪体内的两个GT基因中的一个被"关闭"了，从而标志着人类距异种器官移植付诸实用的目标越来越近了。专家认为，转基因克隆猪在医学上将首先用于生产制造胰岛素的胰岛细胞，以用于治疗糖尿病。
2001年７月3日，美国科学家宣布成功完成了一次人造心脏移植手术，这是担界上首次植人可以完全替代心室功能并能够完整植人人体内的人造心脏，该手术初认为是自20世纪80年代以来人工心脏技术的一大飞跃。此次由美国"无机医药"公司开发出的AbiorCor人造心脏新型装置非常先进，包含着几百项独立的技术突破。它重约1Kg，呈袖子状，材料是塑料和金属钛。这一人造心脏装置分为４个部分，即心脏本体、一个微型锂电池、一个计算机控制系统以及外接电池组。其中由钛制成的心脏本体有两个替代患者左右心室的腔室，它有４个接口，分别连接左右心房、主动脉和肺动脉。一个夹在两个腔室中间的小型装置能够连续地用血流击打心室的柔软壁层来快速挤压它们，从而把其中的血液压人相连的动脉。AbiorCor人造心脏的最大泵血量是每分钟101血液，置人该人造心脏的人可以进行慢跑，但刁能打篮球或者踢足球。人造心脏在实验室中曾创造了1.6亿次无故障跳动的纪录，相当于输送200万L血液，能使患者生存5年。
三、能源技术推陈出新
虽然在可预见的将来，煤炭、石油等矿物燃料，仍将在世界能源结构中占有相当的比重，但人们对核能以及太阳能、风能、地热能、水力能、生物能等可持续能源资源的利用，在整个能源消耗中所占的比例正在显著地提高。据统计，20世纪90年代，全球煤炭和石油的发电量每年增长1％，而太阳能发电每年增长达20％，历力发电的年增长率更是高达26％。顶计在未来5至10年内，可持续能源将能够土矿物燃料相抗衡，从而结束矿物燃料一统天下的局面。
1.太阳能
相对于日益枯竭的化石能源来说，太阳能似乎是未来社会能源的希望所在。太阳每年到达地球表面的能总量相当于目前世界主耍能源探明储量的1万倍，真可谓取之不尽。加之太阳能的普遍性、清洁性和利用的经济性，太阳能很有可能在未来世界能源结构转换中担当重任，成为理想的替代能源。
人类在现代意义上对太阳能的开发利用只是近半个世纪的事情。太阳能热利用领域广阔，但最终可分为太阳能热发电（能源产出）和建筑用能（终端直接用能）两大类。目前太阳能热发电在技术和经济上可行的形式主要有3种。（1）7.5-25MW点聚焦抛物面盘式太阳能热发电技术（简称抛物面盘式）。(2)30~80MW线聚焦抛物面槽式太阳能热发电技术（简称抛物面槽式），（3）30~200MW点聚焦中央接收式太阳能热发电技术（简称塔式）。其中抛物面槽式发电技术较为领先。太阳能热水器技术已很成熟，并已形戍产业，正不断冲击电热水器市场和燃气热水器市扬，大有取代后二者之势。我国是当今世界上太阳能热水器生产量以及销售量最大的国家。
此外，太阳能光电已成为全球发展最快的能源之一。自1990年以来，全世界太阳能光伏发电装置的市场销售量以年平均16％的速度递增。影响光电池大规模应用的主要障碍是其制造成本太高。光伏技术的发展近期仍会以高效晶体硅电池为主，以后会逐步过渡到薄膜太阳能电池，如以加氢非晶硅作为材料。此外，其他新型太阳能电池，如染料敏化半导体太阳能电池、导电聚合物光伏打太阳能电池等也是当前的研究热点。
由于空间太阳能电站不受天气、气候条件的制约，其发展前景十分看好，是人类大规模利用太阳能的另一条有效途径。
2.风能
风力发电技术经过近几十年的发展已比较成熟，发电成本不断下降，1998年风力发电的成本就已经接近矿物燃料发电的成本。在太阳能、风能、地热能、海洋能、生物能等可再生能源中，当前形成发电规模产业的只有风能。顶汁到2020年，全世界的风力发电将占全球总电力的10％。
风力发电是一种绿色能源，不会产生二氧化碳，对环境没有污染。由于技术相对成熟，自动化程度高，可远程控制，很适合边远牧区、边防海岛等电网因成本高而不易到达的地方。
在开发风力发电机上，主要有两种不同的研究路线。一种是美国主张开发的高度柔性变浆矩风力机，叶片和塔架很柔软，只要把风力机的结构动力学解决好，其发电成本可降至2.5美分/kW时。2001年美国增加风力机容量200万kW，单机容量均在600~1650Kw。另一种研究路线是以丹麦为首的欧洲国家，主张开发刚性的失逮型或变浆矩风力发电机。目前，德国、西班牙、荷兰、英国等都采取这种技术生产风力发电机。
3.核电
核电是一种清洁、安全的能源。与煤炭相比，核燃烧链对公众产生的辐射仅为煤燃烧链的1/50；核燃烧链所产生的固体废物占地面积只有煤燃烧链的一半；核燃烧链几乎不排放任何有害气体；同时核电的安全性也是有保障的。今天，核电已占全球电力供应的16％，西方主要发达国家的核电都占到本国发电量的20％以上，其中法国核电多年来一直占其全国发电量的75％到80％。中国秦山核电站自1991年12月首次并网发电以来，10年累计发电168亿kW.h，发电收人约50亿元人民币，成为我国核电自主设计成功的标志。
早期和乎利用原子能时代的原型堆构成第一代核电站，当前运行的核电站绝大多数属于第二代核电站。第三代核电站以20世纪80~90年代初出现的先进轻水堆为代表。现在正在开发的革新型核电站已属第四代。目前，重点研究的核电技术问题有'①简化反应堆设计与建造。包括反应堆的修建从现场建造方式转向工厂制造方式，利用能量直接转化方法的简化裂变反应堆，智能型自我诊断监测技术。②防止核扩散技术。通过达到高燃耗或使用牡以提高防止核扩散能力，如通过堆芯燃料设计，不需要倒料或换料就能支持反应堆运行15年。③反应堆安全技术。包括开发具有极低严重事故风险的反应堆设计，使用智能监测技术测定蒸汽发生器传热管的降质等。④废物处理技术。包括不需处理的优良废物形式研究，设计具有长寿命堆芯的反应堆模块，瞬系元素高燃耗研究等。
由于可控热核聚变的原料极为丰富，并且无污染，因而发展前景也十分看好。在国际热核实验堆（ITER）的研究中，核聚变的离子温度已达到1亿℃，这为ITER的建设从技术上扫平了道路。目前"国际热核实验堆"的选址筹建工作正在积极进行中，加拿大、日本都希望将"国际热核实验堆"建在本国，从而确立本国在新能源研究中的优势地位。
当前全世界有10个国家正在兴建31座核电站，这31座核电站建成后的总发电能力为27 756MW。美国在2000年曾统计，该年度美国核电共发电7500亿kW.ｈ,平均每干瓦时电成本1.83美分，而市场平均成本为每千瓦时电4.6美分，这充分显示了核电的光明未来。
４.燃料电池
燃料电池是通过氢气（甲醇、天然气、汽油可代替氢气）和氧气的化学反应来产生电能的，其副产品只是少量的水。由于燃料电池不包含任何中间热反应，所以能量转换效率非常高，－般可达50%以上。以前，燃料电池主要用来为宇宙飞船提供动力，近年来燃料电池的应用已从天上回到地面。日本的丰田公司、美国的福特汽车公司都已开发出了燃料电池汽车试用产品，从而使无污染交通成为可能。有关专家指出："燃料电池将把人类带出燃火的时代。"
不同于核能和太阳能装置，以氢气为燃料的燃料电池汽车发动机不需要太大的改变。2001年3月日本丰田公司开发出的新型燃料电池汽车"FHCV-3"最高时速可达150km，续航能力在300km以上。该公司在美国的试验样车已累计行驶了56帆ｍ，没有出现故障。美国能源部在其制定的"氢计划"中提出，2010年前耍让燃料电池车占到汽车市场份额的25％。德国戴姆勒-克莱斯勒公司则宣布，将于2004年向市场推出普及型燃料电池车。有关人士认为，如果燃料电池的研究以目前的速度继续发展，那么最后一家汽油汽车发动机制造厂可能会在本世纪中叶关门。
当然，燃料电池汽车技术在经济、商业上的应用还存在一系列需要攻克的难关。首先是成本问题，当前燃料电池系统本身的成本就高达30 000美元，因此必须大幅度地降低成本才能使燃料电池汽车具有市场竞争力。其次是燃料电池系统的小型化和轻量化。现在燃料电池系统的体积是汽油发动机的3倍，重量也是其3倍，达600kg。第三是氢气的大规模工业生产以及携带、储存问题。由于氢气是一种易爆危险品，氢气在汽车上的安全携带、存储，以及在路边建立氢气加注站以取代汽油加油站等技术问题都需要解决。
四、新材料技术日新月异
新材料技术的发展不仅有利于信息技术和生物技术的革命，而且对制造业、物资供应以及个人生活方式产生重大的影响。例如，材料技术的进步使得"芯片上的实验室（1ab-on-a-chip）"成为可能，大大促进了现代生物技术的发展。目前，新材料技术正朝着研制生产更小、更"聪明"、多功能、环保型以及可以订制的产品、元件和系统的方向发展。
1.纳米材料
20世纪90年代以来，全球逐步掀起了纳米材料研究的热潮。由于纳米技术从根本上改变了材料和器件的制造方法，使得纳米材料在磁、光、电、敏感性等方面呈现出常规材料不具备的许多特性，在大量领域有着广阔的应用前景。专家顶测，纳米材料的研究是下一阶段科技发展的一个重点，会是一次技术革命，进而将引起21世纪又一次产业革命。日本三井物产公司在2001年12月宣布，该公司将批量生产碳纳米管，从2002年４月开始建设年产量120t的生产设备，9月份投入试生产，这是世界上首次批量生产低价纳米产品。
美国IBM公司的科研人员在2001年４月用纳米碳管制造出了第一批晶体管，这一利用电子的波性而不是常规导线实现传递信息的技术突破有可能导致更小更快的芯片出现。根据摩尔定律，计算机芯片上的晶体管数量每隔18个月就要翻一番，许多专家预测，在10到20年内硅晶体管将达到其物理极限。因此，IBM科学家的这项技术突破对未来的芯片性能会产生深远的影响，并可能使现有的硅芯片技术逐渐被淘汰。美国朗讯贝尔实验室则用一个单一的有机分子制造出了世界上最小的"纳米晶体管"，大小只有针尖的1000万分之一。这将导致更小、更强的芯片问世，表明科学家在超越晶体管和微型电路技术障碍方面又迈出了新的一步。
在碳纳米管研究方兴未艾的同时，纳米世界的新秀一"纳米带"又问世了。在美国佐治亚理工学院工作的3位中国科学家2001年初利用高温气体固相法，在世界上首次合成了半导体氧化物纳米带状结构。这是继1991年发现多壁碳纳米管和1993年合成单壁碳纳米管以来，-维纳米材料合成领域的又一大突破。这种纳米带的横截面是一个窄矩形结构，带宽为30~300nm，厚度为5~10nm，而长度可达几毫米，是迄今为止合成的惟一具有结构可控且无缺陷的宽带半导体淮一维带状结构。目前已经成功合成了氧化锌、氧化锡、氧化钢、氧化镐、氧化镓、氧化铅等材料纳米带。由于半导体氧化物纳米带克服了碳纳米管的不稳定性和内部缺陷问题，具有比碳纳米管更独特和优越的结构及物理性能，因而有可能被更早地投人工业生产和商业开发。
2.超导材料
超导材料在电动机、变压器、磁悬浮列车等领域有着巨大的市场，如用超导材料制造电机，可增大极限输出量20倍，减轻重量90％。超导材料的研制关键在于提高材料的转变温度，若此问题得以解决，则会使许多领域产生重大变化。2001年，科学家在超导材料研究上有不少新收获，相继发现了临界温度更高的新型超导材料，使人类朝着开发室温超导材料的领域迈出了一大步。曰本青山大学教授秋田纯等人发现，二硼化镁可在-23４℃成为超导体，这是迄今为止发现的临界温度最高的金属化合物超导体。二硼化镁的发现打开了研究新一类具有简单组成和结构的高温超导体的大门，如同15年前（1986年）高温氧化物超导体的问世一样，二硼化镁的发现使世界凝聚态物理学界为之兴奋。由于二硼化镁超导体易合成、易加工，很容易制成薄膜或者线材，因而应用前景看好。
美国贝尔实验室的科学家将三氯甲烷和三溴甲烷掺人碳-60分子，使碳-60分子的超导临界温度由-221℃提高到-156℃。一个国际研究小组在报告中说，他们将一种临界温度较低的铜氧化物高温超导材料冷却后放入磁场，发现其导电性消失了。研究人员测量了这种"正常"状态下材料的热导率和电导率，结果令人吃惊.二者没有相关性。这一研究成果对现有的一些物理理论提出了挑战。
5月20日，美国底特律的福瑞斯比电站在地下铺设了360多米的超导电缆，电缆中123ｋｇ重的导线是由含有铋、锶、钙、铜的氧化物超导陶瓷制造的。这是世界上首条实用的超导输电线路。我国在高温超导产业化技术上也获得重大突破，第一条单线长度1ｋｍ，年产200ｋｍ的高温超导线材生产线已正式投产。
3.高性能结构材料
高性能结构材料具有高温强度好、耐磨损、抗腐蚀等优点。高温结构陶瓷材料目前正在研制的有碳化硅、氧化硅、氮化硅、硼化物、增韧氧化锗陶瓷和纤维增强无机化合材料等。在内燃机中用陶瓷代替金属可减少燃料消耗30％，提高热效率50％。国外现己有在1650℃下连续工作5万小时而无故障的绝热柴油机，节约了大量燃料。高性能复合材料可以根据要求进行设计，能够发挥某一材料的长处，避免其短处，当前的研究重点有'纤维增强塑料、碳/碳复合材料、陶瓷基复合材料和金属基复合材料。如美国、俄罗斯都在其航天飞机和太空站上采用了能耐1000℃以上高温的陶瓷基复合材料。高分子功能材料是近年来发展最快的一种有机合成材料，每年的递增逮度达14％，预计到21世纪中期强度工程塑料将会占运输工具结构重量的10％～80％。
此外，2001年美国科研人员还发现了一种可与玻璃结合的化合物，这种硅烷化合物能够粘在磷酸盐玻璃表面，形成一个单一分子层或多分子层，从而可以保护玻璃表面，将腐蚀减少到最小程度，这一发现对提高玻璃的抗腐蚀性具有重要意义。另外，科学家在高温高压条件下研究碳-60球状结构变化时得到了有机强磁性捌料。当时的条件为，压强6万个大气压，温度700-800℃。这种磁性材料在230℃时仍具有磁性，这为制造超强超硬非金属磁性材料开辟了前景。
五、空间授术更上－层楼
人类航天活动经过近半个世纪的创新开拓已取得了巨大的成就，极大地促进了生产力的发展和社会的进步。空间技术是对现代社会最具影响力的高技术之一，也是国际竞争最为激烈的领域之一，不断发展空间技术已成为世界各国现代化建设的重要内容。预计到2005年，全球空间技术产业将超过2000亿美元，并创造大量的就业机会。
1.空间站
2001年3月23日，"一代天骄"－俄罗斯和乎号空间站顺利坠入南太平洋预定海域。和平号空间站于1986年2月20日被送入轨道，原设计寿命仅为5年，但实际上15年间它围绕地球飞行了8万多圈，行程35亿开幕，先后接待了104名字航员，共进行了31 200次科学试验，是人类历史上迄今体积最大、设施最完善、太空飞行时间最长的空间站。和平号的戚功降落是一次史无前例的高难度大型航天装置脱轨作业，它同样显示着人类在空间科技领域的高超技艺。
为建设国际空间站，2001年俄罗斯共发射5艘进步号飞船，运送了11.4ｔ货物和一个代号为"码头"的对接舱，后者使国际空间站的吞吐能力大为增强。美国2001年也进行了多次航天飞机发射，奋进号、阿特亚蒂斯号、发现号先后升空，为国际空间站安装了由加拿大制造、长19ｍ的机械臂，大大减轻了宇航员在太空工作的负担，７月还将一个空气阻隔舱运到了空间站上，在空间站和太空之间建立了一个通道。
至今国际空间站已在太空翱翔了近3年，总质量已达150ｔ，建成后总质量可能突破490ｔ，相当于一个半足球场的大小。建成后的国际空间站是一个可长期居住的低轨道基地，是名副其实的太空国际科学研究所，各国在国际空间站计划中所取得的科研成果将为人类登上火星、开辟天外家园铺平道路。
2.人造卫星
今天，世界上80％的洲际通信业务和100％的洲际电视转播已由卫星担负。人类卫星通信事业正在迅速发展，大功率、宽频带、长寿命是主要的发展方向。在21世纪的头几年里，一些大型静止轨道通信卫星平台将运行在外层空间，中、低轨道的通信卫星发展趋势是小型化、轻型化和卫星设计的模块化与集成化，用于话音和数据通信的低轨道卫星将随着卫星功能密度的提高向现代小卫星方向发展。
小卫星具有功能密度大、研制周期短、成本低、可靠性高、风险小等优点，在空间探测、通信、遥感、电子侦察等领域具有不可替代的作用，因而日益受到航天、军事、工业以及科研部门的普遍关注，成为当前航天技术发展的重要方向之一。发达国家十分重视微/纳型卫星技术的研制开发，纷纷将其列人国家级研究计划，视为21世纪国家技术与经济发展的制高点。
小卫星技术的发展经历了3个阶段，第一个阶段是简单的卫星小型化技术，第二个阶段是高性能部件的微小型化和航天器总体设计的一体化技术，今天已进人第三个阶段，即以微米、纳米技术为基础，研制以微硅卫星为代表的纳型/皮型卫星（美国2000年2月发射的世界首颗皮型卫星仅重245g），同时将实现更高度的三维集戚化和一体化。现代小卫星技术的发展主要有两个特点：－是依托高新技术，发展以挺高"功能密度"为核心的系统小型化、轻量化和低功耗技术；二是采用一体化、集成化、模块化、商用器件化以及功能软件化等全新的设计思想和概念。当前，小卫星技术已从单颗小卫星发展至"星座"阶段，并将进人"网络星座"的时代。为满足个人通信全球化的需要，小卫星星座己经可以达到5个"Ｗ"，即任何人｀（Whoever）可在任何地点（Wherever）和任何时间（Whenever）与任何人（Whomever）采用任何方式（Whatever）进行通信交流。
2001年12月，代表我国空间技术最新水乎的大容量、长寿命地球静止轨道通信广播卫星"东方红四号"研制工作正式启动。"东方红四号"卫星是我国第三代通信广播卫星，卫星将携带50个通信转发器，寿命15年，有效载荷将以广播和通信为主。目前已完成前期技术攻关任务，在大型燃料储箱等一批关键技术上已经取得突破性进展。"东方红四号卫星的研制将大大提高我国卫星通信、广播电视、信息传播的水平，使我国成为世界上少数几个能研制大型通信广播卫星及其平台的国家。
3.深空探测
在太阳系行星探测方面：2001年４月７日，美国字航局"奥德费"火星探测器顺利升空，经过200天的航行于10月23日进人火星轨道。"奥德赛"探测器带有一个热成像系统，一个枷马射线光谱仪和一个辐射环境实验器。在随后的两年半里，"奥德赛"将对火星表面进行水、矿物质和辐射水平等方面的探测活动。8月，美国宇航局又发射了用于捕捉在太阳风暴中被抛人太空的太阳物质的"起源"号航天器。"起源"号航天器实际上是一个机械控制的太阳粒子捕捉器，其航天任务将历时3年，行程3200万km。"起源"号将到达距地球160万km、距太阳1.48亿ｋｍ的地方，并围绕着这一地点运行两年半，捕捉太阳风中时速高达160万km的太阳粒子，最后载有太阳物质标本的太空舱将于2004年9月返回地球。
2001年７月20日，俄罗斯马克耶夫科学生产企业和巳巴金研究中心共同研制的太阳帆飞船"宇宙-1"发射实验成功，成为世界上首次使用太阳帆作为航天飞行动力装置的航天器。该飞船是有两个花瓣状、总直径26ｍ的太阳帆，这艘太阳帆飞船在近地轨道飞行约25ｍｉｎ后，按预定计划返回地球.太阳帆飞船利用太阳光的压力进行太空飞行，以太阳帆为动力的航天器无须携带任何燃料，在太阳光子的撞击下，航天器的飞行速度会不断加快，最终能飞到距地球非常遥远的地方。根据理论计算，直径300ｍ的太阳帆可使重量约0.5t的飞船在200多天里抵达火星.
在天文观察方面.美国宇航局2001年11月27日宣布，天文学家利用哈勃太空望远镜首次成功地在飞马座内观测到距地球150光年的太阳系外有类似金星的大气层。天文学家目前已在太阳系外观测到70颗行星，但观测到这种行星的大气层还是第一回。
2001年是新世纪的开局年，本年度高技术在各个领域里的发展进步一直不断地给人们带来惊喜和懂憬，同时人类社会对高技术的每一次重大突破也给予了审慎的关注。可以相信，人类的智慧和理性一定能够使高科技为人类社会的美好末来锦上添花。
2001年高技术发展综述(一)
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