斯图尔特·利希特（Stuart Licht）设计出了一台“终极循环再生机器”。他与同事们在乔治·华盛顿大学的实验室里建造了一台太阳能反应器，这货可以从大气中吸收二氧化碳（CO2），也就是化石燃料燃烧后的副产物，并利用太阳能将其重新转化为燃料。这个过程包括好几个步骤，水也参与反应，并生成氢气（H2）和一氧化碳（CO），它们反过来可以生成液态烃燃料。利希特所设计的装置是已有的同类设备中最高效的。
这个机器只是全世界的实验室中逐渐成型的众多太阳能科技之一。它们象征了一个美好的愿望：有一天人类可以不再依赖化石燃料，而是从阳光、空气和水中获取交通用燃油，用上述过程来部分消除此前燃烧化石燃料而排放的CO2。
目前，这些计划还没达到对石油产业造成威胁的程度。在利希特的设计中，反应器的某些部分需在高达1000℃左右下运行，这个温度实在是太高了，所以需要特殊材料来将设备组件固定在一起。研究人员也正在寻找其他解决办法，如开发催化剂以使同样的反应能在接近室温的条件下进行，或通过太阳能或其他可再生能源发电来推动这些化学结合过程。
更大的困难在于成本问题。
目前而言，石油很便宜，因此我们还没有足够的动力来使用高精尖而昂贵的替代品。但是鉴于气候变化形势严峻，而用太阳能将二氧化碳变为燃料这一概念看起来又足够美好，全世界已经有众多的科学家投入到太阳能燃料的研究中。“这是当前非常热门的领域。”加州大学伯克利分校的化学家奥马尔·亚吉（Omar.Yaghi）说道。而利希特的反应器证明，这些研究有着实打实的进展。“我们还没有完全搞定，但正朝着正确的方向前进。
”普林斯顿大学的化学家安德鲁·博卡尔斯利（Andrew Bocarsly）表示，他也一直致力于开发低温催化剂。
风力发电场、太阳能电站等可再生电能的平稳扩张，让这项技术的簇拥者们甚至看到了其在经济上可行的一丝希望。现在，风车与太阳能电站产生的电能有时候会供大于求，专家认为，如果这种供求过剩的电能可被储存在化学燃料中，电力公司就能随时随地使用省下来的能源，顺便还能在这方面获得额外收入。
虽然我们对于气候变化忧心忡忡，但是人类对于液体燃料的需求也不会就此消失。汽油和其他液态烃燃料因为具有高能量密度和易于输送的特点，一直是世界交通基础架构的支柱。研究人员继续致力于将低碳可燃气体（如甲烷和氢气）用作运输燃料，并且电动汽车数量也在迅速增长，但是对长途汽车、重型车辆以及飞机而言，并没有比液体燃料更好的选择。
太阳能燃料的拥护者认为，若能通过易于获取的原料如水和CO2制备这些运输燃料，可极大减少日后CO2排放量。
归根到底，这就是燃烧的反过程，将能量从太阳能或其它可再生能源处转移到化学键中。“这是非常具有挑战性的问题，也是一场艰苦的战斗。”匹兹堡大学的化学家约翰·基思（John Keith）说道。这和植物自行合成生长所需的糖类差不多，但是植物只能将太阳能的1%转化为化学能。为了能驱动起我们工业化的社会，研究人员需要做得更好，基思认为这一挑战堪比将人类送上月球。
问题的关键在于，CO2是一种结构非常稳定而且不活跃的分子，化学家只能通电、加热或二者双管齐下强制它参与反应。此过程的第一步是夺去CO2中的氧原子以生成CO，之后由CO与H2制得合成气，合成气又可转化为甲醇——这种液态酒精可直接使用或转化为有价值的化学品与燃料。大规模的化工厂也这样做，但其合成气的原料不是源自大气而是来自丰富又价廉的天然气。
因此，化学家面临的挑战是通过可再生能源来制备比传统方法更廉价的合成气。
利希特将他的机器制备的CO和H2的混合物称为“太阳气”（sungas），他表示要直面传统方法带来的价格挑战，从免费的太阳能中获取热能和电能。一篇发表在《先进科学》（Advanced Science）中的论文中详细介绍了他的装置，首先用到的是一块高端商业型聚光太阳能电池。
它将一大片太阳光聚焦到半导体面板上，在高压下将入射太阳能的38%转换为电能。接下来电能被分流到两个电化学电池的电极上，一个电池电解水，另一个电解CO2。与此同时，阳光中剩余的大部分能量被捕获为热能，并将这两个电池预热到数百摄氏度，这一步骤可以将分解水和CO2所需要的电量降低25%。利希特说，最终高达50%的太阳入射能量可转化为化学键能。
目前还不清楚这一过程制备的合成气是否比天然气制备的合成气要便宜。但利希特指出，根据2010年的一篇对于他2002年提出的太阳能分解水设备的经济性评估报告，使用他的方法生产1公斤H2（相当于4升汽油的能量）的成本为2.61美元。进一步降低成本对于利希特的太阳气装置而言有点困难。他的设备使用稀有且略贵的金属锂作为电解质，锂的限量供应阻碍了大规模应用。
利希特还面临着来自其他研究人员的竞争，他们也通过高温来加速水和CO2的分解，但都完全依赖电能加热而不是太阳能。同太阳气一样，这些固态氧化物电解池方案，也面临着在高温下持续工作的挑战。
尽管困难重重，博卡尔斯利和其他研究者们仍然试图在低温下分解CO2，其中的一种方法已经实现商业化。
2012年，冰岛一家名为国际碳循环（Carbon Recycling International）的公司设立了一座通过可再生能源生产合成气的工厂。该公司利用当地丰富的地热资源发电，以驱动电解装置分解CO2和水，生成的合成气之后被转化为甲醇。当然了，全球大部分地区都没有冰岛那样丰富的地热资源来驱动这一分解过程，因此研究人员正在寻找能用更少的能量来分解CO2的催化剂。
这些催化剂通常分布于阳极——含水电解槽的两个电极之一。在阴极上，水分子被分解为电子、质子以及氧气。电子和质子被输送到阳极，阳极上CO2分子分解为CO与氧原子，氧子又与电子、质子结合生成更多的水。
现在，此类催化剂的“黄金标准”就是金属金。上世纪80年代，日本科学家发现，在所有的将CO2分解为CO的低温装置中，金电极活性最高。
随后在2012年，斯坦福大学的化学家马修·卡南（Matthew Kanan）及其同事发现了更好的材料：据他们发表在《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society）的报道，用一层薄薄的纳米金晶体制备电极，可将所需电能减少50%，并把催化剂活性提高10倍。金微晶间的边界可能有促进反应的作用。
黄金的价格约36000美元/公斤，对大规模使用来讲仍然过于昂贵。去年，特拉华大学（University of Delaware ，UD）的化学家焦锋领衔的研究团队在《自然通讯》（Nature Communications）报道，纳米银粒子制得的催化剂效果同样不错。今年，他们在ACS Catalysis上报道称，由锌枝晶制备的催化剂在生产CO方面也非常高效，而且锌枝晶更便宜。
价格更低的催化剂仍在研发中。例如，上个月据加州大学伯克利分校的研究人员报道，他们已经用中心含钴和铜的有机环状化合物制备出高度多孔的晶体材料。当这种多孔材料分层排布在电极表面，并浸没在水溶液中时，它们每小时能将240000个CO2分子分解为CO——相比普通催化剂，这个速率实在是太疯狂了。
去年，卡南及同事们报道称，铜纳米晶体电极不需要经过中间的合成气过程，就能以前所未有的效率直接合成各种更复杂的液体燃料，如乙醇和乙酸。
世界各地的研究人员同时也在拓展另一个方向：直接从太阳光中获取能量来驱动CO2和水的低温电解。大多数工作都围绕着通过光吸收半导体（如二氧化钛纳米管）生产CO、甲烷或者其他烃类来展开。目前为止，这些方法的效率还是太差，通常只能将不到1%的入射太阳能转换为化学键能。
博卡尔斯利与同事们做得更好一些，他们使用的是只占光谱极少部分的紫外光。上月在波士顿举行的美国化学学会会议上，特拉华大学的化学家乔尔·罗森塔尔（Joel Rosenthal）报道称，他的团队已经研发出一种基于铋的光催化剂，可将6.1%的入射可见光能转化为CO中的化学键能。
尽管这些方面都有所进展，卡南告诫说，要想与液体化石燃料竞争，太阳能燃料仍有很长的路要走，尤其是现在石油价格已跌破每桶50美元。除非全球范围内共同努力限制碳排放，单就价格而言，太阳能燃料可能永远无法替代石油衍生燃料。“这太难了。”他表示。
伊利诺伊大学香槟分校的太阳能燃料研究人员保罗·凯尼斯（Paul Kenis）认为，风能与太阳能的扩张给我们带来了希望。比如，丹麦30%的电力来自风力发电场，在2020年有望达到50%。在七月的狂风大作的某天，这个国家的风力发电机产生的电力是全国电力需求量的140%，多余电量还被输送到邻国——德国、挪威、瑞典。
但是供能过剩引起了公用事业部门的担忧，在可再生能源发电的高峰期，电力的价值可能降为零甚至负数，因为电厂需要倒贴钱让别人来买走多余的电，不然输电网络就会受到损害。凯尼斯说，这就是太阳能燃料生产商受益的地方：通过吸收多余的能量来生产燃料或其它产品，它们本质上就成为了一种能源仓库，或许还能借此赚点钱。目前而言，卡南认为用过剩的可再生能源电力代替化石燃料并入输电网络仍然是最经济合理的方案。
总有一天，等到可再生能源普及得够广了，再加上相应技术的完善，我们就可以毫无顾忌地消耗燃气了，因为我们燃烧的是阳光。