密歇根州立大学的发动机研究实验室通常很平静，但在这个八月天的上午晚些时候，每个人都神经紧绷。然后，在中午前几分钟，助理工程学教授 Norbert Müller 接到了他们一直在等待的电话：能源研究领域最具影响力的人物要来参观 Müller 的工作了。
这位高个子德国人高声宣布了这一消息，然后小跑着穿过混凝土砖砌成的走廊，走向前门，身后跟着一群同事和研究生。他们涌到人行道上，踮着脚尖，眯着眼睛透过沥青路面蒸腾的热浪，一辆 SUV 停了下来，下来一小群人。终于，一个穿着蓝色运动夹克、打着印花领带的男人，像一艘拖船一样出现，拖着他的随从穿过停车场，走向人群。
Arun Majumdar 步伐稳健，仿佛每一步的卡路里消耗都经过精确计算。他走到人行道上，只将一只手向前伸出，恰好够到 Müller 的手，另一只手则紧紧地按在身侧。“很高兴见到你，”他说。Müller 是全球热流体工程领域的顶尖专家之一，他在与来访者会面时有些不安。直到现在，Müller 必须依靠从多个来源艰难争取到的五位数和六位数拨款来支持他的研究。Majumdar 给了他 250 万美元。在 Müller 的世界里，Majumdar 拥有巨大的权力。他有数亿美元可以分配给像 Müller 即将展示的高风险项目。他来这里是为了检查他的投资。
47 岁的 Majumdar 执掌能源先进研究项目局（Arpa-E），这是一个新成立的联邦机构，正在对 Müller 以及其他寻找新能源生成、放大和储存方式的企业和大学研究人员进行数百万美元的投资。大多数研究人员在既定的研究方向上难以取得突破性进展，他们大多只能吸引到小型拨款和投资。但 Arpa-E 的资助对象可以负担得起追求大胆、雄心勃勃的设想。其成果包括能够用二氧化碳制造汽油的细菌、熔融硅光伏晶圆以及空中风力涡轮机。
Majumdar 每隔几周就会拜访他的受资助者，检查他们的进展。这本不应像一次视察，但 Müller 显然很紧张，他引导 Majumdar 进屋。
Majumdar 小时候，经常随家人在印度各地迁徙。他的父亲是一名电信专家，负责维护各个机场的无线电设备。受降落和起飞飞机的启发，Majumdar 开始制作木制滑翔机，并尝试设计自己的模型飞机。高中毕业后，他参加了印度理工学院的入学考试，在 150,000 名申请者中，获得了 1,500 个名额之一。最终，他成为印度理工学院孟买分校最优秀的学生。之后，他获得了加州大学伯克利分校的注册学者奖学金，在那里他师从热学专家、后来成为该大学校长的 Chang-Lin Tien，研究热量和辐射的科学。
“他的理念是研究极端——要么非常小，要么非常大，”Majumdar 谈到他的导师时说。“有趣的前沿科学就发生在这些地方。”Majumdar 最终也成为伯克利分校的教授，专注于纳米技术、交通运输和能源转换。业余时间，他开始为硅谷的初创公司和风险投资公司提供咨询。然后，他加入了诺贝尔奖得主史蒂文·丘（Steven Chu）的行列，在劳伦斯伯克利国家实验室担任能源与环境副所长。
当时，丘正在谈论建立一个绿色能源孵化项目的必要性，并在 2006 年提议美国能源部创建一个风险承受能力强的机构，为那些私人公司不敢冒险的能源技术提供资金。奥巴马总统于 2008 年任命丘担任能源部部长，Arpa-E 在 2009 年初获得了 2750 亿美元《美国复苏与再投资法案》提供的首批 3.88 亿美元预算。
丘和 Majumdar 以国防先进研究项目局（Darpa）为蓝本，建立了他们的新机构。美国政府在苏联于 1957 年发射人造卫星“斯普特尼克”后，创建了 Arpa，后更名为 Darpa。这颗卫星比美国更早进入太空，引发了对美国技术领先地位下滑的恐慌。除了研制导弹和隐形技术，Darpa 资助的研究还产生了一些历史上最有用的和平时期发明，包括手机、GPS 和互联网。“现在，我们这一代面临着我们自己的三个‘斯普特尼克’，”Majumdar 解释说。“那就是能源安全、经济安全和环境安全。”
自 20 世纪 70 年代末石油危机以来，能源研究一直缺乏政府资金。Arpa-E 于 2009 年发出的第一份短期概念论文征集，引发了超过 3,700 份提案的巨浪，导致能源部计算机系统瘫痪。并非所有提案都切中要点。“大约 27% 的提案不符合热力学第一或第二定律，”Majumdar 说。符合要求的提案由丘招募的国家顶尖科学家组成的数百人评审团进行了审查。他们将提案缩减到 300 个决赛入围者，并邀请他们提交完整提案。最终，37 个提案被选入第一轮资助，平均每项 400 万美元（申请者需要获得非联邦来源的匹配资金承诺）。“请注意，我们没有将其分成 10 万美元的小额资助，以便发放 1,500 项资助，”Majumdar 说。“那不是冒险。我们需要足够大的拨款才能产生实质性影响。”
Darpa 的成果有现成的客户——国防部——而 Arpa-E 的成果必须在公开市场上生存。这些资助也吸引了一些私人资本。风险投资家和其他投资者，被经过同行评审并由国家顶尖科学家验证过的技术所带来的盈利潜力所吸引，在首批获奖公告后的两个月内，已向 Arpa-E 资助的获奖者投资了约 3300 万美元。
在广泛的第一轮之后，第二轮重点关注下一代电池、碳捕获和替代燃料。第三轮则侧重于电网规模的储能、光伏电子学以及新型的暖通空调（HVAC）方法。未来的兴趣领域可能包括热储存、电力电子、提高光合作用效率以及新的稀土元素提取方法。
与 Darpa 一样，Arpa-E 的许多异想天开的能源想法将无法走出实验室。“但如果其中只有几个取得了成功，”马萨诸塞理工学院（MIT）的 Donald Sadoway 说，他是一位正在设计液态金属电池的 Arpa-E 受资助者，“那么影响将是巨大的。”他认为，通过正确的能源突破，该项目可能有助于国家安全，摆脱对石油的依赖。至少，它可以将太阳能和风能等能源转化为我们能源组合中可行的组成部分。
项目进行两年后，Majumdar 的一些 Arpa-E 投资已经开始见效。Müller 发明的 Wave Disk Engine，介于柴油发动机和涡轮机之间，它利用冲击波来压缩燃料并传递能量。今天 Majumdar 将看到第一个工作原型。
Majumdar 说，Müller 在很多方面都代表了 Arpa-E 的受资助者，或者用 Arpa-E 正在发展的行话来说，是“执行者”。“这是一位拥有非常好、非常重要的想法的人，多年来一直辛勤工作，几乎没有得到任何支持。我们国家已经失去了制造新型发动机的技艺。如果我们想恢复这种创新，我们就需要鼓励像他这样的人敢于冒险。这就是我们如何将人类送上月球。”
Müller 带领 Majumdar 和他的团队来到他的实验室，实验室的桌子上放着一个直径像煮锅一样大的圆形装置。在他的资助申请中，Müller 表示 Wave Disk 会比传统的汽车发动机更轻、更便宜，效率高五倍，并能让混合动力汽车的续航里程超过 500 英里。如果这些说法听起来有些夸张，那正是重点。“如果我们想通过创新摆脱这场危机，”Majumdar 告诉我，“我们必须全力以赴。我们必须在未来 20 年内挤出 100 年的创新。”
看到这台机器，它连接着一系列传感器和进料管，Majumdar 的脸上泛起了光彩。他似乎并不担心弄脏外套，便蹲下身，摆弄着那个装置。然后，仍然蹲着，他开始滔滔不绝地向 Müller 提问：“平衡性是个问题吗？泄漏是问题吗？最佳速度是多少？冲击波不会产生熵吗？”
这是一连串的攻势。“要理解冲击波的作用，可以想象一下炸弹，”Müller 结结巴巴地说。“好吧，也许那个例子不太好。”他停顿了一下。“想象一只大黄蜂。它太重了，翅膀太小，无法正常飞行，所以它会产生以音速传播的压力波，压缩空气以增加升力。在波形盘中，我们利用冲击波来压缩燃料，并利用它将能量转化为功。”
Majumdar 满意地点了点头，又提出了一个问题，然后又一个。后来他告诉我，他将“建设性对抗”这一概念（他从前英特尔首席执行官安迪·格鲁夫那里借用）融入了 Arpa-E 的文化。“当我们讨论科学和工程，评估新项目和提案时，我不再是主任，”Majumdar 说。“我们像平等的伙伴一样辩论，有力的好想法才能生存下来。科学运作的最佳方式就是这样。”
Müller 逐渐感觉到 Majumdar 试图改进他的工作，而不是贬低它。他逐一回答了问题，紧张感也随之消失。我们穿过一层保护玻璃，在 Müller 的示意下，一位在电脑终端工作的研究生启动了一个电动机，使发动机的内部叶片开始旋转。当转速计超过 1,000 转/分钟，然后是 1,500 转/分钟时，研究生看了 Müller 一眼。
“我们暂时不要启动燃烧，”Müller 说。“等到速度稳定下来再说。”他看了看 Majumdar，然后又回到屏幕上，转速计慢慢爬升到 2,000 转/分钟。最后，他向研究生点了点头：“好吧，让我们看看弗兰肯斯坦是否活过来了。”我们隔着玻璃看着，研究生向发动机注入燃料并点火。波形盘开始震动，然后发出吱嘎声。当它在桌子上发出嗡嗡声时，Majumdar 的脸上露出了微笑。“它有心跳了，”他说。
Majumdar 开始放松下来。他继续进行技术性提问，但问题就像一个自豪的父亲。“你们在校园里有能源俱乐部吗？”他问研究生们，并与 Müller 谈论他获得私人资助的前景。然后，大家前往附近的会议室。当 Majumdar 享用盒饭时，另一位 MSU 的教授向他介绍了 Arpa-E 资助的一个生物反应器项目。该项目是与 MIT 合作的，部署了以氢为食的细菌，将二氧化碳转化为液态交通燃料。Majumdar 似乎对该项目了如指掌。他点了点头，问了一些问题，与在场所有人握了手，然后就该离开了。他还有另一个附近的行程。
一个安静的、由政府资助的拨款项目曾创造过技术革命。想想互联网的历史。1963 年，Arpa 向麻省理工学院的一组研究人员提供了 260 万美元，用于开发分时计算系统。这项早期工作最终发展成为 Arpanet，第一个广域分组交换网络，进而发展成为互联网。根据经济合作与发展组织（OECD）的数据，三十多年后，这笔 260 万美元的投资已在美国创造了至少 2500 亿美元的互联网经济。根据互动广告局（Interactive Advertising Bureau）资助的一项 2010 年研究，仅广告支持的在线业务就雇佣了 120 万美国人。
目前有几十个国家在争夺清洁能源市场的霸主地位，预计到 2020 年该市场价值 2.2 万亿美元，美国需要采取激进措施来竞争。美国在公共能源研发方面的投入约为 40 亿美元（不包括复苏法案支出），而日本为 31 亿美元，欧洲为 33 亿美元。但这个数字具有误导性。当以 GDP 比例衡量国家对能源研发的承诺时，美国的排名要低得多。日本、韩国、法国和中国的能源研究支出占 GDP 的比例都高于美国。而中国去年成为全球最大的能源效率技术总体投资者，计划在未来十年内平均每年投入近 740 亿美元，以成为全球最大的清洁能源技术开发者和制造商。
Arpa-E 的影响力将取决于节省的石油量、从大气中减少的二氧化碳量、太阳能效率的百分比提升以及电池能量密度的提高。由于 Arpa-E 的资金是种子资金，旨在建造能够吸引私营部门后续资金的原型，因此项目通常需要十年时间来验证其成功或失败。
在我们开车时，Majumdar 正在进行一个似乎是例行的电话。“嗯哼，”他对着电话说。“如果他们声称能够将光伏（PV）的成本降低一半，他们是否提供了计算？如果没有，他们需要给我们发过来，让我们看看。”他挂断电话，转向我。“目前，太阳能光伏的成本是每瓦 8 到 10 美元，已安装，”他说。“我们可以在 10 年内通过常规方式将成本降至一美元。但如果我们能在五年内实现这一目标，美国就领先了。”
Majumdar 今天的第二个目的地是位于底特律郊区沃伦的通用汽车研究院。Arpa-E 的资金流向了大学研究人员和初创公司，但事实证明，像通用汽车这样的大公司里，一些最有创意的想法并没有得到多少公司支持。“大公司在技术上通常很扎实，但不是非常创新，”Majumdar 在我们驶入校园时说。
研究院汇集了 16,000 名通用汽车的工程师、设计师和技术人员，五十多年来一直是公司最大胆工程项目的所在地。我们在研发大楼的大厅里遇到了 Alan Browne 和 Jan Aase。Aase 负责通用汽车的车辆开发研究实验室，Browne 则领导着公司的轻质热能回收（LighTER）系统的开发。Browne 和 Aase 解释说，燃料能量的大约 60% 会以水蒸气或尾气形式散失。他们的研究旨在从低品位废热中收集能量。
LighTER 系统使用一种由所谓的形状记忆合金（镍钛合金）制成的拉伸线——它在加热时收缩，在冷却时膨胀。“在混合动力系统中，可以使用一圈这种线来驱动发电机为电池充电，”Browne 在我们走向实验室时说道。“在传统发动机中，它甚至可以取代交流发电机，而不会对发动机造成任何负荷。”
桌子尽头那个缠绕着线圈和链轮的装置，看起来像某种永动机。Browne 分发了安全眼镜，并用热风枪模拟典型排气管内的温度。机器立刻开始运转，随着电缆的收缩和膨胀，它开始通过大滑轮移动。我伸出手试图用手停住一个轮轴，但不行——它太强大了。
“我们已经超过了任何热量收集装置报告的最高功率输出，”Browne 自豪地对 Majumdar 说。“但最大的挑战是冷却。我知道您有传热方面的背景，所以如果您在家回来的路上有什么关于如何快速冷却它的想法……”这是一种受资助者在告别前为了讨好资助者可能说的话，但 Majumdar 却从椅子上弹了起来，走向白板。“我想你想引入一些湍流！”他说。他抓起一块粉笔，Majumdar 开始滔滔不绝地提问——我们如何最大化热传递？哪种线材形状散热最快？盒子是什么形状的？——他一边写一边思考。几分钟之内，他已经在和 Browne 及其团队讨论
各种方案。
几分钟前还准备离开的年轻工程师们，停下来看着，被这场表演迷住了。Majumdar 和 Browne 互相用奇思妙想和“如果……会怎样”的思路进行交流，头脑风暴，直到 Majumdar 几乎将白板的每一寸都写满了计算。“哇，”一位工程师对另一位工程师说，摇了摇头。“每天都能看到这样的事情可不常见。”
Majumdar 擦了擦手上的粉笔灰，走向停车场，准备开始回华盛顿的路。但通用汽车的人还有最后一件事要给他看：他们的新型氢燃料测试车。这已经是漫长的一天了，但他还是坐到了驾驶座上。Majumdar 显然很高兴能亲自驾驶一个切实可行的原型车。他把车开到科技中心人工湖的一端，来到一条直道上，然后猛踩油门，飞驰而去。
