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侯正猛:架起中德科技桥梁

来源:  发布时间:2019-05-17

□ 方 方  王 辉

  
  
  1993年,时任中国矿业大学副校长谢和平收到一封海外来信,信中写道,在德国找不到谢和平的原版专著《岩石混凝土损伤力学》,希望能够通过谢和平本人购买。几个星期后,正在德国克劳斯塔尔工业大学攻读博士学位的侯正猛收到了整整一箱书,装满了谢和平所有的相关材料和讲稿,后来他才知道,寄出这箱书花掉了谢和平两个半月的工资。
  “本来以为会石沉大海,收到这箱书时真的是热泪盈眶。”回忆起这段往事,侯正猛依然激动不已。时隔20多年,侯正猛已经是四川大学“千人计划”(短期项目)特聘教授,每年往来于中德之间,他已经不仅仅是延续了与一个人的友谊,而是以科学研究为支撑,架起了一座中德之间的桥梁。
  
凭实力扎根异国
  1992年3月,侯正猛飞抵慕尼黑机场。因为签证问题,他比同一批公派德国的留学生们晚到了两个星期。也是在此时,他才知道拿到的汉斯·赛德尔奖学金只能资助两年。几经周折,等到他走进克劳斯塔尔工业大学Lux教授实验室时,已经到了1992年10月,原本的读博计划也变成了进修,打杂则成了他当时生活中的主旋律。
  “郁闷”,侯正猛形容当时的状态。他很着急,距离回国只剩下不到一年半时间,怎么才能学到实质性的东西,做到真正的科研课题呢?趁着圣诞节郊游,侯正猛向Lux表达了意愿。元旦过后,他如愿以偿地拿到了一个课题。
  那是一个有关盐岩矿房矿柱优化设计理论的课题,涵盖了盐岩蠕变、时间效应、塑性力学、矿山安全、矿柱失稳、破坏概率等方面的内容。“盐岩具有非常独特的特性,是所有岩石都没有的。”侯正猛介绍说。其一,盐是颗粒状的,具有单晶结构;其二,盐岩具有非常低的渗透特性与良好的蠕变行为,其力学性能较为稳定。“钢在高温下会发生蠕变,一个钢锭之所以能轧制成钢板就源于这种特性。而盐岩在常温下就可以发生蠕变,只要应力不超过‘损伤起始点’这道门槛,盐岩就可以无限变形。不同的是,钢板断裂,只能人为焊接来修复,盐岩则拥有损伤自我恢复的独特特性。”
  独特的盐岩令人惊艳,被视为世界上建造地下油库、地下天然气库和地下储氢库的最理想岩层。特别重要的是,盐岩能源地下储存库具有高安全性,十分利于战备,被称为“高度战略安全的储备库”。它还有了另一个名字——盐穴。侯正猛当时需要解决的关键科学和技术问题,是如何利用盐岩的上述特性来优化设计盐矿的矿房和矿柱。相关内容和优化设计方案尽管在弗赖贝格矿业大学1972年的一篇数学博士论文中可以找到,却没有推导过程,一切都需要摸索。
  “人家需要的地下采矿区,肯定是保障安全的前提下矿柱留得越少越好,矿房越大越好”。目标很明确,做起来却不容易。接下来的日子,侯正猛没日没夜地翻阅资料,专心致志地钻研。“脑子里、眼里只有数学公式,连旁边的人是男是女都分不清。”侯正猛笑着说。不疯魔不成活,在别人眼里,那时的侯正猛就是个废寝忘食的“疯子”。不到3个月,他就完成了这个课题,包括详细的数学推导过程和编程。
  Lux接过这个年轻人的研究成果时,眼神中流露出震惊和怀疑。也是在此时,侯正猛才得知,同样的课题,Lux的3位学生先后做了5年都没有完成,而Lux原本对他的期待也不过是“回国之前能做好就不错了”。后来,Lux作为某矿务局的技术顾问参与了一个新钾盐矿设计方案的审查,而弗赖贝格矿业大学那位博士论文作者就是该矿山委托的设计方。在把侯正猛的结果与设计方的最新数据对比之后,Lux对这个年轻人刮目相看。设计方做了半个月的数据,与侯正猛用半小时模拟出的结果,就连小数点后的4位都一模一样。
  自此,侯正猛终于得到了Lux的肯定,并被邀请留下来攻读博士学位。而后,他的博士论文获得1997—1998年度克劳斯塔尔工业大学Rudolf-Vogel唯一优秀博士论文奖,他也是迄今为止唯一获得该论文奖的华人。
  “以你现在的水平应该争取在德国当教授!”1997年,取得博士学位之后,本打算回国的侯正猛被导师Lux的话打动了。早在考上昆明理工大学的第一天,“当教授”就成了他朴素的梦想,只不过此前他从未想过会在德国实现这一目标。2002年年底,他提前一年通过了考核,取得了教授和博士生导师的资格。2003年年初,克劳斯塔尔工业大学破例给了他C2教授的位置。2009年,侯正猛被下萨克森州5所著名大学联合新建的下萨克森州能源研究中心聘为教授,从事地下洁净能源生产和储存的研究工作。侯正猛的职业生涯,在德国逐渐步入了正轨。
  
下萨克森州的中国大使
  金坛盐矿区位于江苏省金坛市(2015年撤市设区,属常州市)西北部,盐矿面积60平方公里,地下储盐量达162.42亿吨,是我国东部地区综合指标最佳的大型盐矿。我国第一个天然气盐穴储蓄库就建在这里,它也是我国“西气东输”工程中重要的配套工程。
  “在金坛盐穴之前,我国从没有过将盐穴建成天然气储存库的经历。”侯正猛说。盐穴储备库是在地下的盐丘或盐层中,根据盐的水可溶性采用水溶法形成巨大的地下溶腔来储存油气的技术。经过10多年的盐穴储气库建设,人们已经知道金坛盐矿可建单体20万~35万立方米的盐腔,具备建设大规模盐穴储油气库的条件。但在21世纪初,国内对于盐穴设计还很陌生,而侯正猛已经在盐穴损伤与损伤恢复领域进行了深入钻研。当有关金坛盐穴腔体稳定性问题摆在他眼前时,他希望能够真正去帮助国内解决这一问题。“国家把我培养到硕士毕业,又给我出国读博的机会,我不想做只图享受社会提供的益处,而毫不关心回报的人。”
  2003年—2005年,侯正猛担任起中石油委托项目——“来自中国金坛盐矿地区盐岩、泥岩岩石力学实验研究及金坛地区现有15口盐溶腔稳定性研究”技术负责人。由他完成的西气东输工程中国第一批盐溶腔储气库的稳定性评价和运营参数设计,也为中国的战略石油储备提供了经验。为了这一工作的圆满,早在2003年3月,他就邀请导师Lux一起回国到金坛进行现场调研,并将样品带回克劳斯塔尔工业大学实验室进行强度、损伤、恢复、蠕变、渗透等系列试验分析研究。这一工作也拉开了他奔走于中国和德国之间的序幕。
  依然是2003年3月,侯正猛被中国矿业大学聘任为客座教授。同年,谢和平院士由中国矿业大学校长转任四川大学校长,侯正猛也通过教育部“春晖计划”成为四川大学讲座教授。两人从此开始了实质性的合作。2004年8月,克劳斯塔尔工业大学和四川大学签订了“2+2”项目合同。
  所谓“2+2”项目,指的是4年制本科双学位专业“土木环境工程”。在侯正猛和谢和平的联合发起和推动下,由克劳斯塔尔工业大学和四川大学进行联合培养。“我认为德国的教学机制值得借鉴,那就是注重学生个性、师生课堂交互、理论联系实践,特别是传授给学生学习和掌握知识的方法。”侯正猛说。显然,该项目要做的就是扬长补短,着重让学生学习地质、环境、土木、能源等跨学科领域的知识,最终培养学生找到、分析、解决工程和科学问题的能力,并激发学生的创新能力。
  侯正猛至今还记得,该项目第一批32名四川大学本科生到达德国是在2005年10月18日。那天,他亲自去汉诺威机场接机,助手们在机场拉起欢迎条幅,学生们刚下飞机时脸上满是好奇、期待和激动,看着他们说说笑笑的样子,侯正猛也心潮澎湃起来。“除了是老师,我还是他们的家长。他们在德国是否顺利,似乎跟我有着密切的关系。”在他眼里,这批学生个个都很争气,不仅提前完成了学业,还都在德国继续读研,甚至还有10余位在德国读博。到2014年,这批学生绝大多数都已回国工作,成为各行各业的主力军。其中,侯正猛最为欣赏的学生周雷在2014年9月,已成为重庆大学百人计划教授。
  10余年来,该项目已经派出“2+2”本科留学生近300人,已有包括德国学生在内的250多名学生获得了两校的双学士学位,180多名获得硕士学位,20余名获得博士学位。基于该项目的合作基础,2016年年底,四川大学开始与克劳斯塔尔工业大学强强联合,筹办起四川大学历史上第一个走出国门办学和拥有国内外双校区的新学院——中德国际学院(双校区)。2018年7月8日,四川大学校长、中国工程院院士李言荣与克劳斯塔尔工业大学校长Thomas Hanschke教授正式签约,中德国际学院正式拉开了序幕。
  除四川大学之外,侯正猛还担任西南石油大学特聘教授、昆明理工大学首席客座教授等职,推动了克劳斯塔尔工业大学与华东理工大学、同济大学、北京航空航天大学、中国农业大学、郑州大学、华中科技大学、东北石油大学、西南石油大学、成都大学、昆明理工大学、西安建筑科技大学、青岛大学等高校开展“2+2”本科、“1+2”硕士合作。仅经过他选拔和接受的项目留学生就有近800人。
  “我是克劳斯塔尔工业大学的中国事务专员。”这些年来,因这一身份,他先后5次跟随下萨克森州3位州长到中国访问,被他们亲切地称为“下萨克森州的中国大使”。侯正猛对这个身份十分自豪。在他心目中,不管身在何方,都应该凭借自己的力量为祖国服务,这份责任,他甘之如饴。
  
为能源转型注入活力
  “下萨克森州的中国大使”贡献的可不只是教育。2006年,四川大学和克劳斯塔尔工业大学联合建立了“中德能源研究中心”,侯正猛担任中心德方首席科学家。2016年4月,中德“清洁能源”创新平台在时任中国科学技术部部长万钢和德国联邦教育与科技部常务副部长Schütte博士的见证下正式成立,该平台已经不仅是两校之间的合作,还联合了中德双方多所高校、科研机构和能源企业共同参与建设,被认为将在清洁能源、可再生能源等研究领域发挥示范作用。
  “研究内容会包括二氧化碳利用和储存,非稳定过剩再生能源多元转换与大型地下蓄能,增强型地热系统与储能、供热和发电一体化技术,非常规天然气开发等。”侯正猛补充道。这同样也是他所关注的重点,尤其是针对非常规油气(包括页岩和致密油气)开发,他从2006年起就在探讨非常规油气领域的相关研究了。
  对油气工业来说,探采转向页岩油、页岩气堪称油气工业史上的第三次革命,被业界称为“页岩革命”。但从页岩里采出油气很不容易,最关键的技术难点就是,页岩的孔隙度非常小、渗透率极低,渗流的阻力导致油气在页岩中的流动性很差,所有的油气井都需要实施储层压裂改造才能开采出来。侯正猛把储层压裂改造比作斧子劈柴,“我们必须想办法把压裂夜注入到储层里,给‘斧子’找到一个切入口,最终让石油和天然气沿着这条人造裂缝流动到管道里”。
  侯正猛所关心的,不仅仅是页岩油气的开采,更有地热开发和利用。他深知,我国的水资源紧缺,水污染问题严重,而许多大城市过度开采地下水又加剧了地表沉降,但地热与地下水开发不同,通过回灌或者循环注采可以实现取热不取水。“每深入地下100米,温度一般就会提高3摄氏度。地下的热能非常丰富。通常地下1000米时有30摄氏度,但在西藏羊八井,1000多米就能达到200摄氏度左右,而云南腾冲地表泉水温度就高达90多摄氏度。”
  如何更有效利用能源?侯正猛提到了“被动房”的概念。20世纪80年代末,瑞典隆德大学的阿达姆森教授和德国的菲斯特博士首先提出这一概念,他们认为“被动房”建筑应该是不用主动的采暖和空调系统就可以维持舒适室内热环境的建筑。在德国居住20多年,侯正猛对被动房的认同度非常高,“被动房耗能只有常规房屋的15%”。上有太阳能,下有地热,就连换风也是新鲜风通过土壤和地下水天然净化后自动循环,这样的被动房堪称节能建筑和清洁能源的集大成者。值得一提的是,每座被动房还附加一个蓄能器,将用户用量之外的能源储存起来。按照德国的相关规定,这些用不完的能源还可以上网出售,从而使能源利用率实现最大化。侯正猛认为,被动房值得中国大力推广。
  2016年,中国“弃风”电量接近500亿千瓦时。这样算下来,全国两年损失的风电量可以供北京使用1年。不仅如此,2016年西北5省26亿千瓦时的弃光量规模接近法国2015年的全年光伏发电量;而弃水电的严重程度已经相当于损失掉半个三峡。这是十分令人惋惜的现象,特别是发生在中国大力推进能源转型、应对气候变化的当下,大量被弃的风电、光电、水电,不仅造成企业的经济损失,也大大削弱了其他领域节能减排、污染防治的效果。
  为何会如此?其中一个关键就是我国如今还不能做到按需发电。如果像“被动房”一样,可以把用不完的电能储存起来呢?侯正猛认为非常有必要,“拥有1600万人口的成都市,1年用电不到600亿度。根据中国电力企业联合会数据,2016年整个四川省的耗电量也不到2200亿度。而同一年,我国风电、水电、光电损失就高达1000亿度,几乎等于半个四川省的用电量,这么白白浪费掉太可惜了”。
  目前,储电技术最成熟的就是电池,但电池容量太小,还容易造成污染。侯正猛希望更多地去运用现有的地下空间进行能源多元转换与地下储存,比如矿井蓄能。矿山的开采寿命不过百年,有些甚至三四十年就枯竭了。侯正猛的灵感就来自这些废旧矿山和成熟的地表抽水蓄能发电技术的完美结合。“我们国家的矿山开采从300米一直到1500米,这意味着矿井的高差可以达到500米,甚至1000米。一般的水坝哪有这么大的高差,三峡也不过170多米。如果利用这个高差来储蓄电能,每用电100度,可以再发电80度,能效高达80%。”谈及此处,侯正猛的眼睛都在发光。
  一举而多得。矿山寿命可以无限延长,周边原本会废弃的光电、水电、风电可以借此轻松储存起来,矿山开采用电也可以就地得到解决,周边农村和城市的部分用电还可从中受益。此外,废旧矿山和油气田还可以改造成地下储气库。由此可见,利用这些废旧矿山和油气田能够实现能源的多元转换和地下蓄能。
  同样的电能多元转换还可以利用水实现,水电解后生成氢气和氧气,氢燃烧发电又回到水,就可以在不消耗水的情况下实现可再生波动电能转氢再按需发电的零排放愿望。同理,可再生波动电能也可以转换为高压风和人造天然气。在氢里加上二氧化碳,它们发生反应会生成甲烷,也就是人造天然气,天然气燃烧发电产生的二氧化碳和电解水生成的氢再用于制甲烷,该循环过程也同样实现了零排放。
  “如果没有废旧的矿山和油气田,也可以利用咸水层来储存氢气、天然气、高压风等。”侯正猛补充道,“我希望能够实现按需发电以及分布式供电,现在的能源问题这么严重,这些可再生清洁能源不能太浪费了。哪怕只能实现50%的能量转化率,根据2016年的数据,也就是拯救550亿度废电,能解决成都市1年的用电量啊。”
  2010年,侯正猛担任由中国国家自然科学基金委员会(NSFC)和德国研究联合会(DFG)共同资助的中德二氧化碳地下封存和能源地下储存合作小组的德方负责人;2012年,在科技部的支持下,受到神华集团委托,谢和平和侯正猛开展起二氧化碳咸水层封存及资源化利用合作研究。2016年年底,作为德方合作者,他与谢和平一道顺利完成了基金委重大国际合作项目“中国高杂质盐岩能源储备的基础研究”。2017年年底,作为课题负责人顺利结束了国家自然科学基金委资助的基于多物理场和多相流理论的页岩气藏水力压裂模拟研究。他的想法正在中国一点点变为现实。
  “能源探索是没有终点的。”侯正猛说。2016年9月,他接过了母校昆明理工大学首席客座教授的聘书,“希望能够在云南建设零排放,甚至负排放大省的路上添砖加瓦。”
  
没时差的双城记
  克劳斯塔尔工业大学坐落于德国下萨克森州的小城克劳斯塔尔·采勒费尔德。从这里到中国四川省成都市,有着约7个小时的时差。2003年至今,侯正猛每年都往返于这两个城市之间。
  在侯正猛的履历上,他参与或负责德国各类项目90多项,其研究成果代表了世界先进水平。他是现代天然气及石油地下储存库设计理论的主要创立者,石油天然气工程的岩石力学研究的资深专家,也是大变形与低渗透盐岩力学理论研究与工程实践的领军人物,并当选德国地球科学与岩土工程院院士。以他的资历,完全可以在德国按部就班地生活。但他依然往来中德10余年,与谢和平合作开展了5个重大国际合作项目,先后与谢和平、徐惠彬、赵金洲等联合主持召开了9次中德国际学术会议,共同出版论文集5本,专著7本,论文300多篇。在中德之间的教育和科研合作上做了无数努力。
  “环境时代决定,起点父母给予,人生自己书写,终点伴侣影响。”侯正猛郑重地说着这句话。他一直认为自己是时代的幸运儿,受益于恢复高考以及自费公派留学,才能书写出如今的成绩,也因此时刻不忘回报国家。入选国家“千人计划”(短期),对他来说,最大的好处是,每年可以在国内有更多时间,能做更多的事情。
  “现在是地球村啦,两边跑没什么压力。”侯正猛有一个特别的本事——生物钟非常强大。在国内,他每天要忙到凌晨1点钟才休息,“这边的晚上,正好是德国的下午”。就这样,他把一天当成两天在用,每天只睡四五个小时。“人要会休息和工作,工作的时候全力以赴,玩的时候也要彻底放松。虽然看起来我睡得少,但都是深度睡眠。太累时,坐着睡5分钟也能补充精力。”
  不管何时何地,出现在人前的侯正猛总是精力旺盛的。有一次,他6点钟飞抵成都机场,3个小时后就站在主席台上作报告了。“倒时差”这种事从来跟他扯不上关系。做科研、带学生、参加学术会议、开展国际合作、担纲行政职务,侯正猛的每一天都过得无比充实。能够将“教育和科技桥梁”的作用发挥好,并且把自身的积累投入中德的科教合作和发展中,他觉得这样的生活蛮幸福。“这都是应该做的。”侯正猛淡然道。
  

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2019年9月上

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