马斯达城的概念图

在阿联酋的阿布扎比郊区，一道白墙像粉笔画过沙漠，里面是一片工地。这里正进行着一个巨大的实验项目——世界上第一个没有汽车、零碳排放、零浪费的城市，它被誉为是未来城市的范本。它就是马斯达城，名字来自承建的马斯达公司，隶属于阿布扎比政府，马斯达在阿拉伯语里是“发源地”的意思。修建马斯达城的初衷，是对石油资源用尽的担忧，也是为了改变阿联酋人均耗能位居世界第二的现状。2008 年，马斯达城破土动工。

这是一个方形、封闭的社区，总面积约 6 平方千米，建在一个 7 米高的地基上以捕获沙漠的强风。城内的地面上是一条条步行街，步行街下方，一辆辆无人驾驶的电动汽车安静地穿过朦胧的隧道。从外面看，这座零碳排放的城市好似一座四周被城墙环绕的中世纪风格的堡垒。

一座隔热的堡垒

马斯达城的街道设计图

马斯达城总部由 Adrian Smith ＋ Gordon Gill 建筑公司设计，里面有 11 个蛋糕卷一样的风道，利用流体力学原理的特殊设计，可以实现：在白天，热空气上行；在晚上，冷空气又能进入为建筑降温。风道下面的水池也有助于降温

要想实现零碳排放，关键在于节能。但要在沙漠中造一座节能城市，是多么不容易！你必须解决炎热这一头号问题。

阿联酋人口最多的城市迪拜是一座沙漠城。

夏天，你很难在没有遮蔽的地方行走，因为这里的温度高达 46℃。

在没有空调的时代，这里的人如何生存？迪拜的老城区“Bastakiya”给出了提示。

这里的墙由风干的珊瑚和石膏构成，非常厚，它们白天吸收热量并在晚上慢慢释放热量，同时这里的通道非常狭窄，两边的建筑正好为通道遮阴。

这种传统建筑为马斯达城的设计者 —英国福斯特建筑事务所（Foster andPartners）提供了灵感。

首先，马斯达城被四面城墙包围，这些城墙起到了阻挡沙漠热量的作用。

城市建造在多风的高地上，能够有效利用强风，一些建筑还利用高耸的中空“风塔”将空气引到街道。

房屋间隔小，街道只有 7~12 米宽，能够最大限度地达到遮阴效果，同时加速全城的空气流动。

按照计划，这样的建筑形式会使整座城市的地面温度降低20℃。

此外，马斯达城的建造者还在不停地研究新的隔热材料。比如：在房屋外“铺”上一层 30 厘米厚的气体，或者以真空作为“隔热毯”，还可以给房屋披上一层隔热又反光的锡箔“外套”。

利用多种清洁能源

马斯达城中的光伏太阳能发电厂（credit：Museum ofCity）

马斯达城广场概念图，建筑上方的太阳能电池板直接吸收太阳能辐射，优化热力供应

                       马斯达城的能源结构

在建筑上关注节能是一方面，另一方面是：能源从何而来？最大限度利用清洁能源是马斯达城的一个重要特点。

在艳阳高照、风力强劲的沙漠里，最便利的清洁能源莫过于太阳能和风能。

马斯达城所有建筑的屋顶都铺有太阳能电池板，产生的电能可以满足所有建筑用电。

此外，在马斯达城外还有一片占地约 0.2 平方千米的公共服务设施区，包括光伏太阳能发电厂、垃圾焚烧厂和水处理厂。

2009 年，马斯达城的太阳能发电厂的装机容量为 10 兆瓦，除了能够满足马斯达城本身的需要，还有多余的电能输入阿联酋的国家公共电网。

在沙漠里，太阳能发电装置遇到的最大挑战来自沙尘，它们会覆盖太阳能电池板，降低其效能。马斯达城的建设者与其他公司合作，特地研制了一种布满小孔（孔径小于沙尘粒径）的表面，让掉到太阳能电池板上的沙尘滑下。

同时，马斯达科技研究院也在着手研究能够抵挡沙尘和细菌侵袭的防护层，不仅能用于太阳能电池板，也可用于建筑。

此外，还有一小部分供城市使用的能源来自垃圾焚烧和地热。

马斯达城对垃圾进行严格分类，可回收的垃圾或者用于制造沼气，或者进行焚烧。焚烧垃圾产生的热量被转化为电能，焚烧所产生的二氧化碳也比掩埋垃圾要低得多。

淡水从何而来？

在干旱的沙漠里，淡水是最珍贵的资源。马斯达城的淡水全部由海水淡化产生。但是，阿联酋海水淡化的耗能量是生产普通淡水的 10 倍，淡水是那里最耗能的产品。而在马斯达城刚刚建立时，建设者发现马斯达城的地下水比海湾海水的含盐量还高，也就是说：要把这种水变成饮用水，将需要消耗更多的能源，开支更大。

怎么解决这个问题呢？除了利用太阳能，马斯达城的建设者还需要寻找更经济的能源。2009 年，他们开始向地底寻找地热，只要能够找到100~120℃之间的地热，就可预先加热盐水，为最后的去盐程序做准备。

2013 年，马斯达城的建设者又开始研制更经济有效的、利用可再生能源的盐水淡化设备。他们在阿布扎比和迪拜的交界处安装了实验性新一代盐水淡化设备。马斯达城的工程师将从中选出最佳方案。

最初，这些设备所需的能量仍然来自传统燃油，但是会逐步被可再生能源代替。马斯达城的目标是生产 1立方米淡水耗电 3.6 千瓦•时，每天制造 1500 立方米淡水 — 足以满足500 个家庭的淡水用量。

节约用水也是马斯达城的降低能耗计划之一。废水经过处理后，可用于灌溉，也可作为冷却用水，或者清洁用水。马斯达城的目标是在不影响居民生活质量的前提下，把淡水消耗量控制在人均 105 升 / 天（阿联酋目前为人均550 升 / 天）。

海水淡化

尽管阿布扎比拥有得天独厚的石油资源，然而，这个地区的水资源却非常有限。同时，阿布扎比又是世界上耗水量最大的地区之一。事实上，阿布扎比的总耗水量已经超过了自然补给量的 24 倍。

海水淡化、废水再利用以及淡水输运等已经成为阿布扎比经济链条中的重要一环。近年来，阿布扎比已经开始从传统的能源密集型热力海水淡化技术转向可持续、环境友好且成本低的薄膜海水淡化技术，比如，零碳排放环保城市马斯达城将大力推广太阳能薄膜海水淡化技术。

薄膜海水淡化技术采用的是反向渗透的原理。溶液中的溶质对水分子有着一定的吸引力。在下图的左边，当半透膜（一种只允许水分子通过的膜）两侧溶液浓度不同时，水分子会从低浓度溶液一侧（纯水）向高浓度溶液一侧（海水）渗透。为了防止渗透的发生，通常需要向海水一侧施加一定的压力。维持两侧溶液稳定（不发生渗透）所需要的最小的力，就是海水的渗透压。在下图的右边，当在海水一侧施加的压力逐渐增大、超过了海水的渗透压时，水分子会从海水一侧向纯水一侧渗透，这就是反向渗透。

个人快速公交

最初设计的公共交通工具是地铁，后来由于成本问题，改为 4 人电动“豆荚车”（Museum of City）

马斯达城街头的自行车

在马斯达城，所有使用燃油的交通工具都必须停在城外。进入城市后，你可以选择步行、骑行或者乘坐电动车。由于马斯达城建立在 7 米的高台上，城市底下有足够的空间供交通网络发展。

最初，马斯达城内设计的交通网络都在地下。多条公路隧道穿过地基，通往城市边缘的地下车库。车库连接着快速换乘站。这些换乘站组成了个人快速运输系统（PRT），也就是城市的公共马斯达城的设计图，PRT 位于地下（credit：Museum of City）交通网络，它用小型交通工具替代了传统的公交车和火车。

在一个面积巨大、光线暗淡的大厅里，整齐地停放着一排白色豆荚状的汽车。这种“豆荚车”是一种无人驾驶的电动车，它沿轨道行驶，你只需要在车上的 LED（液晶显示器）显示屏上输入目的地，其他都由计算机操控。

此外，马斯达城还计划建造一条高空轻轨以运行电动列车，将马斯达城与其他城市和机场连接起来。同时，地下电动列车线路的修建也在计划中。

城里的街道最初只是为行人设计的。据说，福斯特在做这样的设计时，除了环保，还有对健康的考虑。他觉得阿拉伯人普遍偏胖，应该多走路，这样有利于健康。

碎片名称：Pilot City in the Desert 沙漠中的实验城-1

梦想成为创新中心

创新精神是马斯达城的核心，也是推动这座城市发展的引擎。马斯达城的目标就是成为专注清洁的科技公司的中心，国际能源机构的总部将设于此。它的第一个租户是马斯达科技研究院，它于 2010 年入驻，是世界上第一所专门研究能源运用和可持续发展的前沿科学机构，可以说是马斯达城的灵魂。在马斯达城立足的各个公司都跟研究院建立了密切的合作关系，以寻找经济发展的路径，把突破性的科技更快地引向市场。

马斯达科技研究院搬入后，世界上很多著名的企业也随之而至，包括美国通用电气公司、德国西门子公司、英国劳斯莱斯公司等。研究院和企业之间建有数据管道，马斯达城的每一样东西，从用水到垃圾，都经过精心测量，并受到监控，这些信息被储存起来，通过数据管道跟这座城市的先进科技系统相连。

按照计划，马斯达城应在 2015年完工，但是现在的马斯达城并没有像规划者所希望的那样 — 可以容纳45000~50000 人、1500 个公司和店铺。这跟始于 2009 年年末的迪拜债务危机有关，也跟阿布扎比的地理位置有关。如今，这个项目的完工计划已经推迟到 2025 年，而且很多最初的计划也不得不做出妥协和改变。这个世界上第一座零碳排放城市的设想是否真的能够实现，我们也只能等待了。

马斯达科技研究院关注先进能源和可持续发展技术。每年年底，它会举办开放日活动，展示能源、水和先进材料方面的研究成果，以激发高科技人才的创新灵感

如何建造绿色能源生态系统？

在马斯达城，海洋和沙漠也能制造能源。科学家开始了一项海水养殖和沙漠种植计划：先把海水注入池塘，养殖鱼虾；再把养殖废水引入沙漠浇灌海蓬子 — 一种耐盐植物，可以用来提炼 生物燃料 ；流过海蓬子种植田的海水再被引入红树林，经根系过滤后流入大海。养殖废水中的鱼虾排泄物可以为海蓬子的生长提供丰富的营养物质，红树林可以吸收燃料燃烧过程中释放的二氧化碳，甚至最终使马斯达城的碳排放量成为负数。

马斯达城的新能源计划恰好与美国国家航空和航天局（NASA）提出的一个绿色理念——“植物能源”不谋而合。NASA 希望开发一种新型的植物能源来支持航空航天事业的发展，这对航空航天事业来说意义非凡，因为这一领域需要的能源远比其他领域所需的总和多得多。

绿色实验室的工作人员在向学生展示用于可再生能源的植物（Credit：NASA GRC ／ Dr. Bilal Bomani）

什么是绿色能源？除了清洁、无污染，绿色能源还应符合三个标准：一是可持续，这意味着未来我们的子孙后代能够继续使用；二是可替换，比如由于它的碳排放量更少，可以完全替代传统能源；三是可再生，就像太阳能、风能一样。

为了实现这三个目标，科学家正在挑战更为极端的条件。世界上 97% 的水都是咸水，我们怎样才能有效地加以利用？地球上的耕地已经越来越少，我们不能跟粮食作物争夺这有限的空间。不用淡水，也不用耕地，剩下的还有什么？看来也只能在海水和沙漠上想想办法了。

可是，大多数植物都不耐盐，土壤或营养液中的盐分过高很容易导致植物死亡，这在海水应用方面可不是个好消息。幸运的是，NASA的“绿色实验室”培育出一类特殊的植物 — 盐生植物。这是一类非常亲盐的植物，它们可以在高盐环境下生长。这样的耐盐植物是怎么培育出来的？答案就是气候适应。比如，在“绿色实验室”里有 6 个生态系统，从咸水到淡水都有。当我们发现有潜力的物种时，就从淡水开始试验：向淡水里加入一点儿盐，它就变得和巴西的生态系统一样 — 那里的土壤盐分稍高；再加一点儿盐，它就变得像非洲、像美国的亚利桑那州和加州 — 这些地区的土壤盐分更高……最后，我们得到了一些新的适应高盐环境的植物，它们可以在世界上的任何地方存活。

绿色实验室研究的一种硬毛藻属植物，它的特点是可以清除过剩的营养物质，特别是氮

然而，即便植物能适应海水里极高的盐分，沙漠贫瘠的土壤条件对植物的生长来说依然太过苛刻。在这个“绿色实验室”里，科学家想到了一个纯天然的解决办法，那就是鱼虾！当然不是把鱼虾用作肥料，而是利用它们的排泄物。鱼虾的排泄物中含有许多无机盐成分，是植物生长所必需的。比如，“绿色实验室”培育了一种能适应高盐环境的淡水帆鳍鲈，它们非常热衷“上厕所”（排泄），于是我们就得到了非常多的肥料，这对植物来说可是多多益善！

解决植物的种植问题后，怎样才能把植物转化成能源呢？在 TED 一次题为“足以飞起喷射机的植物燃料”的演说中，“绿色实验室”的项目负责人比拉•博马尼（BilalBomani）称，他们已经找到了 26 种不同的有潜力的盐生植物，除光合作用积累有机物外，这些盐生植物本身可以产生很多的脂类物质，这是最天然的能源。它们可以直接燃烧提供热量，或者通过化学、生物化学或热力学方法转化为各种生物燃料以供使用。

另外，博马尼研究团队也在进行植物改良方面的尝试，希望让所有的生物体发挥最大的作用，比如脂肪含量、植物产量，或者仅仅只是抗压能力。比如，他们先通过废水养殖实验培育了几种各具特色的植物：一种是弗吉尼亚盐角草，这种大型藜科植物在美国到处都是；另外一种是毕式盐角草，这是他们目前培育出的含脂量最高的植物；还有一种欧洲盐角草是实验室目前培育出的最大、最高的植物。他们把这三种植物结合在一起，培育出了一种高脂高产的植物。另外，当看到飓风肆虐摧毁了大面积的黄豆时，他们改良了一种叫作“海滨锦葵”的植物，使它们根茎的抗拉能力更强。

当谈到“绿色实验室”项目的目标时，博马尼博士说：“最重要的就是拯救这个世界。”如果“绿色实验室”可以在全世界范围内推广并最终付诸实践的话，我们就能彻底解决地球上食物、水和能源短缺问题。

海水养殖与植物能源综合系统